Brevet FR2386942A1 — publié le 19781103

La présente invention concerne un circuit permettant de soustraire ou d'obtenir un signal proportionnel à la différence entre deux quantités de charge, et plus particulierement un circuit différentiel de quantité de charge comportant un dispositif à transfert de charge muni d'une électrode de porte flottante qui permet une, fonction de capacité en temps partagé. Jusqu'ici, la différenciation des quantités de charge utilisaient normalement des circuits, comprenant deux condensateurs, dans lesquels les deux quantités de charge sont emmagasinées sur des condensateurs distincts et sont transformées en deux tensions correspondantes, dont l'une est alors soustraite de l'autre. Un exemple d'un circuit de ce type est décrit dans la publication parue sous le titre "Magnitude Differencing Circuit", de D.L. Critchlow et al, IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol 18, No 9, février 1976 page 3071. Les circuits à deux condensateurs présentent la caractéristique non souhaitée que les deux condensateurs peuvent avoir des caractéristiques intrinsêquement différentes qui affectent la charge emmagasinée, et lorsque les deux tensions résultantes sont soustraites, l'effet des différences de caractéristiques est inclus dans la tension différentiel comme une distorsion et pose une limite à la précision du circuit. La présente invention est distincte des dispositifs à deux condensateurs de l'art antérieur par le fait qu'elle utilise un condensateur unique à porte flottante fonctionnant en temps partagé. Puisque les deux quantités de charge sont placées de façon séquentielle sur le même condensateur, il n'y a pas d'erreur de correspondance qui pourrait apparattre si les quantités de charge étaient placées sur deux condensateurs distincts. L'utilisation des techniques de porte flottante dans des dispositifs à charge couples ont été représentés dans l'art antérieur, cependant, aucune référence n'est connue qui utilise une porte flottante comme condensateur fonctionnant en temps partagé pour la différenciation de charge. Un exemple classique de porte flottante dans un dispositif à charge couplée est décrit dans le brevet des E.U.A. No 3 623 132. Ce brevet est cite comme étant d'un intérêt de base générale et ne concerne pas l'utilisation d'une fonction de condensateur en temps partagé pour la différenciation de charge. Un objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif à transfert de charge utilisant un condensateur unique travaillant en temps partage pour la différenciation de charge. Un autre objet de la présente invention consiste à proposer un circuit de différenciation de charge à condensateur travaillant en temps partagé dans lequel les erreurs de correspondance et de non linéarité sont supprimées. Un autre objet de la présente invention consiste à proposer un circuit à transfert de charge pour comparer deux quantités de charge de façon non destructive sur un condensateur unique. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 représente sous forme schématique partiel un circuit de transfert de charge comportant un condensateur travaillant en temps partagé pour la différenciation de charge. La figure 2 représente un diagramme schématique d'un circuit équivalent au dispositif représenté sur la figure 1. Dans la technologie des dispositifs à transfert de charge utilisant des dispositifs à charge couplée et des dispositifs à brigade à seaux, une fonction souvent nécessaire est la détermination de la différence entre deux quantités de charge. Puisqu'il n'y a pas de moyen efficace de soustraire directement un paquet de charge d'un autre, une solution simple consiste à transformer les paquets de charge en des tensions et ensuite à soustraire celles-ci. Dans l'art antérieur, la solution classique à consisté à introduire les deux paquets de charge sur deux condensateurs et ensuite à déterminer la différence entre les tensions résultantes. Puisque les caractéristiques des deux condensateurs ne sont Jamais identiques, il apparat dans la différence de tension une erreur de non linéarité et une erreur inhérente de correspondance du condensateur. La figure 1 représente une réalisation d'un dispositif de transfert de charges à canal n dans lequel la fonction de condensateur unique d'une électrode de porte flottante travaille en temps partagé par les deux paquets de charge et une tension différentielle est obtenue qui évite les erreurs dont on a parle précédemment. Des dispositifs à charge couplée sont bien connus dans l'art de la même façon que le sont les techniques de conservation et de transfert de charge utilisés dans la description de la réalisation de la figure 1, ce qui ne nécessite pas une description détaillée supplémentaire. Plus particulièrement, la figure 1 représente une vue schématique d'un dispositif à charge couplée comportant un substrat semiconducteur 10. Une plaque 12 de condensateur 14 est disposée sur le substrat semiconducteur 10 et isolée du substrat semiconducteur 10 par une couche isolante, par exemple de dioxyde de silicium ou de nitrure de silicium. La plaque 12 constitue ltélectrode de porte flottante, et à cette électrode est connectée une capacité CL de charge total. La plaque 12 est connecté à une source de tension de polarisation 13 par l'intermédiaire d'un commutateur 15.Avec la tension de polarisation appropriée appliquée sur la plaque 12, la région sousjacente à la plaque 12 située sur la surface de silicium devient ce qui est appelé dans l'art un puits de potentiel dans lequel les orteurs-de charge monoritaires mobiles peuvent être emmagasinés, introduits, ou enlevés par les techniques de transfert de charge. Les porteurs de charge mobiles dans le puits de potentiel plus la charge immobile dans la région d'apauvrissement du puits de potentiel constitue la seconde plaque du condensateur 14. Le puits de potentiel est représenté sur la figure 1 comme la région 16. Deux électrodes de transfert de charge 18 et 20 sont disposées sur le substrat semiconducteur 10 des deux cOtés de la plaque 12. Les électrodes de transfert 18 et 20 sont connectées à des sources d'impulsion de telle sorte que des quantités de charge peuvent être transférées dans et hors du puits de potentiel 16 en réponse aux impulsions de transfert appliquées aux électrodes 18 et 20. Des électrodes supplémentaires 22 et 24 sont disposées sur le substrat semiconducteur 10 sur les cOtés opposés des électrodes ce transfert 18 et 20 et sont reliées à des sources de tension pour créer respectivement des puits de potentiel 26 et 28 qui servent à emmagasiner des quantités de porteurs de charge qui peuvent être transférés vers ou à l'extérieur du puits de potentiel 16. Pendant le fonctionnement, on suppose que la différence doit être déterminée entre une quantité de-charge désignée par paquet de charge Qa et une quantité de charge différente désignée par paquet de charge p. Initialement, un paquet de charge, par exemple Qa est emmagasiné dans le puits de potentiel 16, ayant été transférée dans ce puits à un temps précédent to. De façon à effectuer le transfert au paquet de charge Qa dans le puits de potentiel 16, le commutateur 15 est temporairement ferme de façon à établir le puits de potentiel 16 sous la plaque 12. A la fin du transfert du paquet de charge Q a dans le puits de potentiel 16, la plaque 12 et la borne de sortie 30 présentent une condition de tension initiale et le commutateur 15 est ouvert, permettant à la plaque 12 de flotter. Le second paquet de charge Qb est initialement emmagasiné dans le puits de potentiel 28, ayant été inséré dans ce puits par des techniques de transfert de charge à dispositif à charge couplée classique bien connu des hommes de l'art. A un temps t1, une impulsion d'horloge est appliquée à l'électrode de transfert 18 provoquant le transfert du paquet de charge Q a du puits de potentiel 16 dans le puits de potentiel 26. Apres un temps suffisant pour permettre l'élimination des signaux transitoires d'horloge, le transfert de Q a d'en dessous de la plaque 12 donne une augmentation proportionnelle de la tension de la porte flottante à la borne 30 selon la relation suivante : ou CL représente la capacité de charge mentionnée précédemment, Cox représente la capacité correspondant à la couche d'oxyde du condensateur 14, Cd représente la capacité d'apauvrissement non linéaire du condensateur 14. Au temps t2, une seconde impulsion d'horloge est appliquée à l'électrode de transfert 20 et le paquet de charge Qb est transféré dans le puits de potentiel 16 qui, après l'élimination des signaux transitoires, entrain une décroissance proportionnelle dans la tension de la porte flottante selon la relation Ainsi, en résulte une modification nette de la tension de porte flottante #V qui est reliée à Q Qb; Q6;dans la mesure ou les non liénaritês sont faibles, AVa (Qa Qb) (3) Toute erreur dans la tension différentielle résultant de la non linéarité de Cd peut être réduite au minimum en utilisant un substrat légèrement dopé et est particulièrement minimisé lorsque #V est petit. Puisque la capacité 14 entre la porte flottante et le substrat 10 fonctionne en temps partagé à la fois par Qa et Qb l'erreur de correspondance qui existerait entre deux condensateurs non adaptés n'existe pas. Dans le cas particulier ou l'on désire seulement déterminer laquelle des quantités Qa et Q b est supérieure, des non-linéarités quelconques n'affecteront pas une teiie détermination. Une autre caractéristique importante de la présente invention telle que réalisée sur la figure 1 est que la tension différentielle #V est indépendante des amplitudes relatives des impulsions d'horloge appliquées à l'électrode de transfert 18 au temps t1 et à l'électrode de transfert 20 au temps t2. Les deux impulsions d'horloge peuVent avoir des amplitudes différentes, ce qui est le cas habituellement, mais aussi longtemps que chaque impulsion retourne à son niveau initiale, la tension différentielle A V ne sera pas affectée. Bien que les fonctions de transfert de charge aient été décrites en utilisant des impulsions d'horloge appliquées aux électrodes 18 et 20, d'autres techniques connues dans l'art, telle que la variation des potentiels sur les électrodes 22 et 24 peuvent aussi être utilisées. La figure 2 est une représentation schématique du circuit équivalent à la structure de la figure 1 représentant la disposition relative des paramètres COx, Cd et CL. La présente invention peut avoir une large application comme circuit différentielle dans beaucoup de systèmes comportant des dispositifs à transfert de charge telles que des convertisseurs analogiques-numériques et numériques-analogiques. Aussi, si on ne désire qu'une indication concernant la grandeur relative de Q a et Qb, comme cela est le cas dans des circuits comparateurs, et dans beaucoup de convertisseurs analogiquesnumériques, la polarité de #V peut être détectée de façon précise par un amplificateur à gain élevé sans précision et une bascule. Bien que la réalisation de la figure 1 fait état d'un dispositif à charge couplée à canal n on pourra aussi utiliser un dispositif à canal p. On pourra aussi a la place du dispositif à charge couplée utiliser un dispositif à brigade à seaux. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. REVENDICATIONS 1 - Circuit pour déterminer la différence de grandeur entre une première et une seconde quantité de charge électrique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour retenir localement les quantités de porteurs de charge électrique, ces moyens comprenant une première plaque d'électrode connectée à une borne de sortie pour réaliser une tension de sortie proportionnelle aux quantités de charge électrique retenues dans ces moyens, un premier moyen de transfert de charge pour transférer une première quantité discrète de charge hors de ces moyens de rétention de charge, produisant de la sorte un premier changement dans cette tension à la borne de sortie proportionnel à cette première quantité de charge électrique, et un second moyen de transfert de charge pour transférer une seconde quantité discrète de charge électrique dans ce moyen de rétention de charge produisant de la sorte un second changement dans la tension de sortie sur cette borne de sortie proportionnel à cette seconde quantité de charge électrique cette variation nette produite dans cette tension de sortie étant proportionnelle à la différence en grandeur entre cette première et cette seconde quantité de charge. 2 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce moyen de rétention de charge comprend un substrat semiconducteur sousjacent à cette première plaque d'électrode et des moyens de polarisation connectés sélectivement à cette première plaque d'électrode pour créer de manière sélective un premier puits de potentiel dans ce substrat semiconducteur pour emmagasiner les porteurs de charge électrique. 3 - Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que cette première plaque d'électrode et ce substrat forment une capacité électrique unique et en ce que cette tension de sortie sur cette borne de sortie est une fonction de la capacité entre cette première plaque d'électrode et ce substrat et de la grandeur de la quantité des porteurs de charge dans ce premier puits de potentiel. 4 - Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ce premier moyen de transfert de charge comprend une première électrode de transfert disposée au-dessus de ce substrat semiconducteur adjacente à cette première plaque d'électrode et une seconde plaque d'électrode disposée au-dessus de ce substrat semiconducteur adjacente à cette première électrode de transfert pour produire un second puits de potentiel dans ce substrat, cette première électrode de transfert et cette seconde plaque d'électrode fonctionnant pour transférer des porteurs de charge hors de ce premier puits de potentiel et dans ce second puits de potentiel. 5 - Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ce second moyen de transfert de charge comprend une seconde électrode de transfert disposée au-dessus de ce substrat semiconducteur adjacente à cette première plaque d'électrode et une troisième plaque d'électrode disposée au-dessus de ce substrat semiconducteur adjacente à cette seconde électrode de transfert pour produire un troisième puits de potentiel dans ce substrat cette seconde électrode de transfert et cette troisième plaque d'électrode fonctionnant pour transférer des porteurs de charge hors de ce troisième puits de potentiel et dans ce premier puits de potentiel.