Brevet FR2226752A1 — publié le 19741115

La présente invention concerne un inverseur analogique utilisé dans un dispositif à transfert de charge. Dans un filtre analogique connu à ligne à retard, représenté à la figure 1, un signal d'entrée traverse une ligne à retard dont la sortie est réinjectée à l'entrée par llinterméwiaire d'un inverseur analogique, la sortie de celui-ci étant le complément de son signal d'entrée. Si la tension d'entrée V de l'inverseur est donnée par V = A + B(t) (1) où A est un niveau de courant continu et B(t) est la partie variable en fonction du temps, la tension de sortie V' de l'inverseur est donnée par vl = A' - B(t) où A' est un autre niveau de courant continu qui peut être lié ou non au niveau A. Le signal inversé est combiné au signal d'entrée dans un montage sommateur, la somme constituant l'entrée de la li gne à retard.L'ensemble du montage fonctionne comme un filtre passe-bande ayant une courbe réponse en fréquence telle que montrée à la figure 2. La ligne à retard est par exemple un dispositif à transfert de charge sous forme d'un registre à décalage dynamique. Ce dispositif à son tour peut être soit un dispositif à couplage de charge, soit un dispositif à régions de charge discrètes. L'em- ploi de ce dernier type de dispositif comme ligne à retard analogique est décrit dans un article de L.Boonstra et al, publié dans Electronics, vol.45, 28 février 1972, pages 64-71. En combinant un circuit inverseur analogique et une telle ligne à retard pour réaliser un filtre passe-bande, il se présente des problèmes d'interface tels que l'adaptation d'impédan- ce et la charge due aux capacités parasites. De plus, un tel agen- cement devient peu commode et encombrant. C'est pourquoi la fabrication d'un tel filtre passe-banae est complexe et délicate. Ces problèmes sont résolus suivant l'invention par un in verseur analogique comprenant un milieu de stockage ayant une couche isolante formée sur au moins une partie de sa surface principale, une électrode source pour injecter des porteurs de charges mobiles dans le milieu de stockage, une électrode de référence, une électrode de signal et une première électrode de commande située entre l'électrode source et l'électrode de référence, et une électrode collectrice pour collecter les porteurs de charges extraits du milieu de stockage.L'électrode de référence se trouve connectée à une source de potentiel pour produire un-puits de potentiel de référence dans le milieu de stockage en dessous de l'électrode de référence, et en ce qu'une source d'impulsions d'horloge biphasées est connectée à la première électrode de commande pour provoquer l'injection de porteurs de charges mobiles de l'électrode source dans le puits de potentiel ce référence pendant une première moitié d'un cycle d'horloge, de manière que pendant la moitié de cycle suivante au moins, le signal électrique à inverser se trouve appliqué à l'électrode de signal afin d'occasionner le transfert d'une quantité de charges proportionnelle à la grandeur de l'inverse^ analogique du signal du puits de potentiel de référence vers l'électrode collectrice. Un avantage de l'invention est ltélimination des proulèmes d'interface lorsqu'un inverseur analogique est connecté à un autre circuit tel qu'une ligne à retard. D'autres avantages sont que cet inverseur peut être réalisé de façon simple et économique et en utilisant la technologie connue des circuits intégrés. Dans les dessins: - la figure 1 est un schéma de principe d'un filtre analogique à bande passante suivant ltétat de l'art; - la figure 2 montre une caractéristique de transmission du fil- tre de la figure 1; - la figure 5 est une vue en coupe transversale d'une structure d'inverseur analogique; - la figure 4 montre des profils de potentiels superficiels fi le milieu de stockage de la structure de la figure 3; - la figure 5 est une vue en coupe transversale d'un exemple de forme de réalisation de l'invention; - la figure 6 montre la variation du potentiel superficiel peedant le déroulement du cycle d'horloge dans la forme de réalis2- tion de la figure 5;; - la figure 7 est une vue en coupe transversale d'une partie d'une première variante de forme de réalisation; - la ligure ô est une vue en coupe transversale d'une partie d'une deuxième variante de forme de réalisation. Lans un exemple de forme de réalisation, 1'inverseur analogique comprend un milieu de stockage de charge auquel plu sieurs tensions variables se trouvent appliquées par l'intermé- diaire de plusieurs électrodes. Le complément ou inverse du signal d'entrée s'obtient en appliquant ce signal à une électrode de signal et en connectant deux électrodes de commande à deux phases séparées d'un générateur de signaux d'horloge biphasés. Pendant la première phase du cycle d'horloge, une tension est ap pliquée à la première électrode de commande afin qu'une quantité de charges fixe se trouve transférée de le source vers un puits de potentiel de référence créé en dessous d'une électrode de référence. Pendant la seconde phase du cycle d'horloge, une tension est appliquée à la seconde électrode de commande afin d'augmenter le potentiel par dessous et de permettre que la charge se trouve transférée dans un puits de potentiel situé en dessous d'une électrode collectrice connectée, elle aussi, à la seconde phase au générateur de signaux d'horloge. Cette charge crée un nouveau potentiel superficiel qui, à une constante près, est égal à la tension du signal inversé.Dans les cas où le signal analogique d'entrée n'est pas à fixation propre, la seconde électrode de comr mande n'est guère requise. Avant de décrire les diverses formes de réalisation on définira dtabord l'inversion analogique dans le sens où on lten- tendra dans la suite. Pour ce faire on considérera- la figure 3 qui montre une électrode de référence, une électrode de signal et une électrode collectrice disposées en série sur un mince isolant formé sur une surface principale d'un milieu de stockage de type E. Pour la commodité et la simplicité, on adoptera les hbrpo- thèses suivantes: i) la chute de tension sur l'isolant est négligeable de sorte que le potentiel superficiel dans le milieu de stockage en dessous de chaque électrode est égal à la tension appliquée à cette électrode; 2) les capacités des électrodes de référence et collectrice sont égales à CO; 3) la tension #Vsig du signal appliqué à l'électrode de signal a une valeur minimale notee Vmin; et 4) la même tension VO est appliquée aux électrodes de référence et collectrice.De plus, VO doit être suffisamment grande pour permettre l'inversion sur toute l'amplitude de variation de la tension I Vsie; c'est-à-dire que VO doit satisfaire l'inégalité sinon la charge transférée du puits de référence à l'électrode collectrice peut tendre à retourner dans le puits de référence chaque fois que le signal de l'inégalité est inversé dans la relation (3). Ces hypothèses étant faites, considérons une quantité de charge QT qui se trouve transférée par des moyens non représentés dans le puits de référence à un moment où Vsig = Vmin. Cette charge fait décroître le potentiel superficiel en dessous de l'électrode de référence de VO à Vmin, comme le montre le profil A de la figure 4. La variation de potentiel superficiel #VT est donnée par AVT = Vo - Vmin= OT/CO (4) Supposons que V Vsig croisse au-dessus de Vmin comme mon- tré par le profil B de la figure 4. Une certaine quantité de charge QINV est alors transférée du puits' de référence dans le puits collecteur.La quantité de charge Qsig restant dans le puits de référence est liée à la tension V Vsig et elle est don- née par Q sig =AVsig CO = (VO - Vsig)Co. (5) D'autre part, la charge QINV transférée dans le puits collecteur est liée à l'inverse ou complément analogique du signal appliqué et est donnée par QINV =#VINV Co = (Vo - VINV)Co. o où VINV est la tension vers laquelle décroît le potentiel en dessous de l'électrode collectrice lors du transfert de la charge On Onnotera que QT = Qsig + Pour montrer que l'inversion définie par les équations (1) et (2) s'est produite, on considérera l'équation (1) avec V = Vie;; A = Vmin et B(t) Vsig min Vsig =Vmin + (vsig - Vmin) (7) D'autre part: VINV =Vo- (#T- -#Vsig) = V0 - (Vsig - Vmin) (io) V' = ht - (t) (2) où V = VINV et A ' = Vo. L'inversion analogique est donc effec tivement réalisée. La manière dont les principes d'inversion analogique expliqués plus haut se trouvent mis en oeuvre dans un exemple de forme de réalisation va être décrite en se référant aux figures 5 et 6. L'inverseur 10 comprend un milieu de stockage li, de préférence un semi-conducteur tel que le silicium, et plusieurs électrodes; une électrode source S, une électrode collectrice C et quatre électrodes de commande G1 G2, G3 et G4 disposées en série entre la source et l'électrode collectrice.Les électrodes de commande G2 et G4 seront appelées dans la suite respectivement électrode de référence et électrode de signal; les deux autres seront appelées électrodes de commande. Etant donné que ces dernières ne sont point utilisées pour stocker la charge, mais servent principalement de portes, elles peuvent être aussi étroites que possible, conformément à la technologie de fabrication disponible et à la formation d'une barrière de potentiel convenable pour contrôler le-transfert de charge vers le et du puits de potentiel de référence. Comme le montre la figure 5, le milieu Il comprend à titre d'exemple un semi-conducteur de type 2 sur lequel est formée une mince couche isolante 12, typiquement de la silice développée par voie thermique. Une fenêtre est découpée dans la couche isolante par un procédé photolithographique bien connu afin de permettre la formation, typiquement par diffusion, d'une zone 14 de type n dans le milieu 11 de type p. La jonction p-n ainsi formée dans le milieu de stockage 11 sert de source lorsqu'unie tension appropriée se trouve appliquée par l'électrode métalli- cue S formée dans la fenêtre de la couche isolante.Cette #onc- tion p-n est polarisée en sens inverse par rapport au milieu il et elle est maintenue à un potentiel de référence convenable Vs par la source 20. Les électrodes G1 à G4, d'autre part, sont formées directement sur la couche isolante 12 dans une configu- ration I-OS typique.L'électrode de référence G2 est également connectée à la source 20 afin d'établir dans le milieu de stockage ge 11 sous l'électrode G2 un puits de potentiel de référence ayant une tension maximum VO. Les électrodes G1 et G3 sont connectées respectivement aux phases 1 et 2 du générateur d'ir#r.pul sions d'horloge 40 produisant deux niveaux V1 et V2 (V1 Pour un dispositif à canal n (milieu Il de type p) des tensions plus positives augmentent le potentiel superficiel cu milieu 11. L'c-îectrcde de signal G4 est connectée à une source de signal 30 qui produit, par exemple, soit un signal ímpulsionnel modulé en ar:plitude I d'un dispositif à transfert de charge typique, soit un signal purement analogique Il. En outre, le signal à inverser peut être soit du type à fixation propre, par exemple la sortie d'un dispositif å régions de charge discrètes ou la sortie d'un dispositif à couplage de charge, soit du t,-pe sans fiction propre tel cue le signal produit par un dispositif à couplage de charge classique ou un signal purement analogique. Le signal I (figure 5) a une phase active qui porte l'iniorination sous forme d'une impulsion modulée en amplituåe, et une phase latente qui ne porte pas d'information. Par phase on entend ici une alternance du signal modulé et il ne faut pas con oeoncre cette expression avec les termes signal Phi'#SE 1 et signal PHASE 2 qui désignent les deux signaux, déphases de 180 degrés électriques, produits par le générateur d'impulsions d'horloge 40. Dans ce qui suit on supposera que le signal I est fixé automatiquement s'il satisfait aux deux conditions suivantes: 1) il coïncide avec le signal d'horloge appliqué à l'électrode G3 (c'est-à-dire que la phase active du signal I coïncide avec la phase active du signal PHASE 2), et 2) la tension pendant la phase latente du signal I est sulfisamment basse (par rapport au potentiel superficiel du puits de référence rempli de charges) pour que peu ou pas de charge ne passe du puits de référence vers l'électrode collectrice pendant la phase latente. Cette tension correspond à Vmin que l'on définira plus loin en se référant à la figure 6. Un signal qui ne satisfait point aux conditions ci-dessus est du type sans fixation automatique. Un tel signal pourrait être un signal impulsionnel modulé en amplitude coïncidant avec le signal d'horloge appliqué à l'électrode G3, mais qui, pendant la phase active, produit une tension plus petite que pendant sa phase latente. Un tel signal provoquera le passage d'un courant indésirable du puits de référence vers I'électrode collectrice si l'électrode G3 n'était pas utilisée pour maintenir par dessous un potentiel superficiel relativement faible pendant la phase latente. On supposera pour les besoins de la description que le signal à inverser est sans fixation propre et consiste en un si gnal m.cculé I coïncidant avec te signal d'horloge PHASE 2 (figu re 5). En ce cas l'électrode G3 est utilisée. On supposera également pour la simplicité que la chute de tension sur la couche isolante 12 est négligeable de sorte que le potentiel superficiel est égal à la tension appliquée. Le potentiel superficiel initial peut alors être représenté par le profil A de la figure 6.Pendant la première moitié du cycle d'horloge (pendant l'occurrence du signal PHASE 1), la tension appliquée à l'électroce G1 croît de V1 Vs, de sorte qu'une quantité de charge QT se trouve transférée dans le puits de potentiel de référence en dessous des électrodes G1 et G2. Cette charge fait décroître le potentiel superficiel sous G1 et G2 Jusqu'au niveau Vs comme illustré en pointillé. En même temps, le signal PHASE 2 est appliqué aux électrodes G et C de sorte que le potentiel superficiel sous ces électrodes est au niveau V1. Comme le potentiel superficiel en dessous de Gf est plus petit que le potentiel en dessous de G2, aucune charge ne se trouve transférée vers l'électrode collectrice C.Toutefois, pendant la moitié suivante du cycle d'horloge (voir profil E de la figure 6), la tension appliquée à G1 diminue de V2 à V1 afin de mettre fin à la charge du puits de potentiel de référence. Simultanément, la tension appliquée à C et à G3 croît de V1 à V2 et la tension appliquée à G4 croit de V min à Vsig > Vmin En conséquence, la quantité de charge restant dans le puits en dessous des électrodes G3 et G4 doit décroître afin de permettre au potentiel par dessous de diminuer jusqu'au niveau Vsig comme illustré en pointillé à la figure 6 (diagramme B). La quantité de charge restante est donc Qsig et une quantité de charge Q proportionnelle au signal inversé, se trouve transférée vers l'électrode collectrice C. Cette charge #INV à son tour fait décroître le potentiel en dessous de l'électrode C de V2 à VIIXv. La quantité de charge QINV est la sortie de l'inverseur 10 et elle peut être appliquée à l'entrée d'un dispositif à transfert de charge 15 (figure 5). Celui-ci peut être une ligne à retard utilisée dans un filtre analogique tel que montré à la figure 1. Dans ces conditions, le premier étage du dispositif 15 doit être connecté à la même phase d'horloge que l'électrode collectrice C, soit en l'occurrence la PISSE 2. En fait, le signal appliqué à 11 électrode G4 de l'inverseur 10 peut très bien être la sortie d'un dispositif tel que le dispositif 15.Supposons qu'un tel dispositif fournisse une quantité de charge A à l'inverseur par l'intermédiaire d'une tension convenable appli quée à l'électrode G4. La sortie de l'inverseur est alors, d'une façon générale ssQOUT k QII; (11) où k est une constante positive. Si les électrodes G2 et G3 sont grandes comparées aux électrodes du dispositif 15, alors k est plus grand que l'unité, et inversement.La constante k est une quantité réglable e#t, en fait, il est préférable que k=1, ce qui peut être obtenu en concevant l'inverseur 10 en sorte que les capacités des électrodes G2 et G3 satisfassent approximativement à la relation C(G2 + G3) = 2CCTD~ (12) où CCTD est la capacité de l'étage de sortie c'est-à-dire du site de stockage du dispositif 15. Lorsque le signal à inverser est unxsignal modulé I sans fixation propre, l'inversion se produit comme décrit plus haut. Pour un signal purement analogique Il (figure 5) la sortie est une version échantillonnée du complément analogique avec la cadence d'échantillonnage correspondant à la cadence du cycle d'horloge. Toutefois, lorsque le signal est avec fixation propre et coïncide avec le signal d'horloge PHASE 2, l'électrode G3 peut être éliminée, c'est-à-dire que les électrodes G2 et G4 peuvent être à côté l'une de l'autre. De toute façon, la probabilité de distorsion, qui pourrait se produire par le transfert de charge entre le collecteur et les puits de potentiel en dessous des électrodes G4, G3 et/ou G2, peut être réduite en créant en dessous de l'électrode collectrice C un profil de potentiel asymétrique. Cette fonction peut être réalisée par l'une ou l'autre des formes de réalisation montrées aux figures 7 et 8. Dans les deux cas l'électrode C de la figure 5 a été remplacée: à la figure 7 par une électrode C' et une zone 25 de porteurs de charges immobiles disposée aslmétri- quement en dessous de l'électrode C' dans le milieu de stockage 11, et à la figure & par une électrode C" et une couche isolan- te 35 d'épaisseur non uniforme.La manière dont ces structures produisent un profil de potentiel asymétrique se trouve décrite dans le brevet U.S.À. n0 3.1.349. Il est bien entendu que les agencements décrits plus haut ne sont que des exemples de nombreuses formes de réalisation possibles. Diverses variantes peuvent être réalisées aisément par l'homme de l'art conformément aux principes de l'nnven- tion. I1- est clair que des diodes à couche d'arrêt de Uchottl-a- ou autres peuvent être substituées à la zone source pour injecter des porteurs de charges dans le milieu de stockage. En ce qui concerne celui-ci on peut prévoir un fonctionnement à canal n (milieu de ttpe ) ou à canal p (milieu de type n) à la condition que les polarités des tensions soient adaptées.De plus, l1inven- tion peut être adaptée à des milieux de stockage autres que des milieux semi-conducteurs. Le brevet U.S.À. n0 3.700.932, par exemple, décrit des dispositifs à transfert de charge utilisant des milieux non semi-conducteurs. Dans un dispositif de ce genre le milieu de stockage peut par exemple être un isolant n'ayant aucun type de conductivité particulier. Dans certains de ces isolants peuvent être formées des zones convenant pour l'inJection et la collecte de porteurs de charges. Dans d'autres, l'injection et la collecte des porteurs de charges suivant l'invention peuvent être réalisées en prévoyant des contacts d'inJection. Ces contacts, formés avec la surface du milieu de stockage, peuvent être substitués à la source et au drain de l'inverseur analogique suivant des principes bien connus dans le domaine de l'art. Enfin, la structure métal-oxyde-semi-conducteur du collecteur peut être remplacée par une diode p-n utilisée pour exciter, par exemple, un transistor à effet de champ à électrode de commande isolée ou tout autre dispositif sur la même galette ou sur une galette séparée, par exemple par une connexion à conducteurs-poutres. REVENDICATIONS 1. Inverseur aialogique utilisé dans un dispositif à transfert de charge, comprenant un milieu de stockage ayant une couche isolante forcée sur au moins une partie de sa surface principale, une électrode source pour injecter des porteurs de charges mobiles dans le milieu de stockage, wle électrode de ré férence, une électrode de signal et une première électrode ce commande située entre l'électrode source et l'électrode de réfé- rence, et une électrode collectrice pour collecter les porteurs de charges extraits du milieu de stockage, caractérisé en ce que l'électrode de référence se trouve connectée à une source de po potentiel pour produire un puits de potentiel de référence dans le milieu de stockage en dessous de l'électrode de référence, et en ce qu'une source d'impulsions d'horloge biphasées est connectée à la première électrode de commande pour provoquer l'inJection de porteurs de charges mobiles de l'électrode source dans le puits de potentiel de référence pendant une première moitié d'un cycle d'horloge, de manière que pendant la moitié de cycle suivante au moins, le signal électrique à inverser se trouve appliqué à l'électrode de signal afin d'occasionner le transfert d'une quantité de charges proportionnelle à la grandeur de l'inverse analogique du signal du puits de potentiel de référence vers l'élec- trode collectrice. 2. Inverseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode collectrice est connectée à la source d'impul- sions c'horloge pendant la moitié suivante du cycle d'horloge pour former dans le milieu un puits de potentiel collecteur et augmenter le potentiel superficiel par dessous jusqu'à un niveau plus élevé que celui qui existe en dessous de l'électrode de signal . 3. Inverseur selon la revendication 2, caractérfsé en ce cu'il comprend en outre une seconde électrode de commande normée suir la couche isolante et située entre l'électrode de référence et l'électrode de signal. 4. Inverseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source d'impulsions d'horloge fournit à la seconde électro LE: dc cornAande, pendant 1 moitie'- suivante du cycle d'horloge, une tension pour accroître le potentiel suptrficiel par dessous et pour permettre le transfert de la charge inversée entre le puits Qe potentiel de révérence et l'électrode collectrice. 5. Inverseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la capacité totale associée à l'électrode de référence et à la seconde électrode de commande est approximativement le double de la capacité associée à un site de stockage de charge d'un dispositif à transfert de charge fournissant le signal électrique à inverser. 6. Inverseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la capacité associée à ltélectrode de référence est approximativement le double de la capacité associée à un site de stockage de charge d'un dispositif à transfert de charge fournissant le signal électrique à inverser.