Brevet FR2458936A1 — publié le 19810102

La présente invention concerne un perfectionnement au dispositif naltiplreur de tension pour circuits intégrés et son application à la commande des transistors à eSset de champ. De nombreux équipements utilisant des circuits électroniques sont alimentés en énergie électrique par une source de tension continue unique. Ainsi, dans le cas des automobiles, la source d'énergie électrique est une batterie d'accumulateurs. Cette tension d'alimentation unique constitue une gêne pour la mise en oeuvre de certains dispositifs à semiconducteurs dans la mesure où l'on désire disposer soit d'une source d'alimentation de polarité opposée, soit d'une tension supérieure à la tension d'alimentation. En particulier, lorsque l'on désire utiliser des transistors à effet de champ de puissance, une intensité importante ne peut être obtenue qu'en appliquant une tension élevée entre grille et source du transistor à effet de champ. Un dispositif connu de longue date sous le nom de convertisseur utilise un découpeur transformant le courant continu en courant discontinu, lequel est appliqué à un transformateur. Ce transformateur possède des enroulements secondaires capables de délivrer, après redressements et filtrages, les tensions souhaitées. Ce dispositif, comportant un transformateur, ne peut pas actuellement être mis en oeuvré par la technique des circuits intégrés. Un autre dispositif utilisant le principe dit de la pompe à diode se prête par contre mieux à l'intégration monolithique et peut être mis en oeuvre dans les circuits intégrés. Ce dispositif est représenté à la figure 1 selon un mode de réalisation permettant d'obtenir une tension négative à partir d'une tension d'alimentation positive. Il comporte deux bornes d'entrée 1 et 2, et deux bornes de sortie 3 et 4. Un premier condensateur 5 est connecté entre la borne 1 et la cathode d'une diode 6 dont l'anode est reliée à la borne 3. Un second condensateur 7 est connecté entre la borne 3 et la borne 4. La cathode d'une seconde diode 8 est connectée à la borne 2 tandis que son anode est connectée à la cathode de la diode 6. Les bornes 2 et 4 sont connectées l'une à l'autre.Un générateur de tension variable 9 comporte schématiquement deux bornes d'alimentation 10 et 11, et deux bornes de sortie 12 et 13 reliées atLu bornes 1 et 2. Une résistance 14 connectée entre les bornes 3 et 4 schématise la charge du dispositif. La pompe à diode agit pour transférer des charges du prenier condensateur 5 sur le second condensateur 7 et piéger les charges de ce dernier condensateur par la diode 6. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant Le générateur de tension variable 9 fournit entre ses bornes de sortie 12 et 13 une tension qui varie entre une tension nulle et une tension maximale VE le plus souvent égale à la tension d'alimentation présente à la borne 10. Le condensateur 5 se charge à la tension VE à travers la diode 8. Lorsque la tension du générateur retornbe à zéro, le condensateur 5 se décharge dans le condensateur 7 à travers la diode 6. Au bout d'un certain nombre de cycles de fonctionnement, la tension obtenue à la sortie entre les bornes 3 et 4 tend vers -VE. La figure 3 représente le même dispositif de pompe à diode dans un mode de réalisation permettant d'obtenir entre les bornes 3 et 4 de sortie une tension positive supérieure à la tension d'alimentation du dispositif. Dans ce mode de réalisation, on inverse la diode 6, c'est-à-dire que l'on permute sa cathode et son anode. La cathode de la diode 8 est ensuite connectée à l'anode de la diode 6, tandis que son anode est connectée à la source d'alimentation 10. La disposition des autres éléments du dispositif tels que les condensateurs 5 et 7, la charge 14 et le générateur 9 demeure identique à celle de la figure 1. Le dispositif de la figure 1 fournit une tension de sortie égale à la somme de la tension VE du générateur 9 et de la tension d'alimentation. Ces dispositifs connus de pompe à diode nécessitent de disposer d'un générateur de tension variable 9. Dans le cas d'un circuit logique disposant d'une horloge externe au dispositif, il est possible d'utiliser les impulsions de cette horloge. Mais de nombreux systèmes ne possèdent pas de générateur d'impulsions d'horloge. il est alors indispensable de prévoir un oscillateur interne. De tels oscillateurs à relaxation comprennent au moins un condensateur, si bien que le dispositif comprenant le générateur et le circuit de pompe à diode doit comprendre plusieurs condensateurs. Dans le domaine des circuits intégrés, les con densateurs sot des éléments très encombrants et dont on a tout intérSt à réduire le nombre. La présente invention vise notammel1t à réaliser des cir- cuits multiplieurs de tension en réduisant le no,l'Dre et la dimension des condensateurs du dispositif. En outre, la présente invention concerne divers noyons pour améliorer la fiabilité du générateur de tension variable et augmenter la plage de tension d'alimentation dans laquelle son fonctionnement est possible. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un dispositif multiplieur de tension comprenant un générateur de tension variable à condensateur et un circuit de pompe à diode tel que le premier condensateur de ce circuit fasse partie du circuit de générateur. Selon un autre aspect de l'invention, et dans le cas d'une utilisation sur une charge capacitive, il est prévu que le second condensateur de la pompe à diode soit réalisé par la capacité équivalente de la charge. Selon un autre aspect de la présente invention, il est pré mu de réaliser un circuit oscillateur particulier qui pennette d'obtenir une tension de sortie maximale pour une tension d'entrée d'alimentation donnée, tout en ayant un fonctionnement très sûr. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles - La figure 1 est destinée à illustrer un dispositif de l'art antérieur - La figure 2 représente une forme d'onde destinée à servir de support à la description du fonctionnement du circuit de la figure 1 - La figure 3 représente un autre mode de réalisation d'un dis positif de l'art antérieur - La figure 4 représente un mode de réalisation particulier du circuit selon la présente invention ; et - La figure 5 représente un autre mode de réalisation du circuit selon la présente invention. La figure 4 illustre un mode de réalisat:on du circuit selon la présente invention c circuit est décrit en relation avec le disDosti de pompe à diode à tension de sortie négative tel que décrit à la igure 1. On a représenté à nouveau sur la figure les divers éléments constituant ce circuit de pompe à diode. La disposition générale du circuit multiplieur de tension est la mêiae que celle représentée en figure 1. La figure 4 fournit en outre une représentation détaillée du gé nérateur de tension variable 9 selon l'invention.Ce générateur comprend un premier transistor à jonction 41 de type PNP dont l'émetteur est eonnecté à la borne d'alimentation 10 par l'intermédiaire d' une résistance 42. Le collecteur du transistor 41 est connecté à la borne d'alimentation 11 par l'intermediaire d'une résistance 43. Un second transistor à jonction 44 de type NPN a son émetteur connecté à la borne d'entrée 11, son collecteur connecté à la base du transistor 41, et sa base connectée au collecteur du transistor 41.Des résistances 45 et 46 connectées en série entre les bornes 10 et 11 sont reliées par leur point commun 47 à la base du transistor 41 par l'intermédiaire d'une résistance 48. il est à remarquer que le circuit de générateur 9 ainsi décrit utilise le condensateur 5 et les diodes 8 et 6 pour assurer les oscillations. Le fonctionnement du circuit est le suivant Au départ, les transistors 41 et 44 sont bloqués. Le potentiel au point 47 est fixé par la valeur des résistances 45 et 46 à une certaine valeur VT. Le condensateur 5 se charge à travers la résistance 42 et la diode 8 jusqu a une tension légèrement supérieure à VT. Le transistor 41 entre alors en conduction, entraînant la conduction du transistor 44 et la décharge du condensateur 5 à travers les transistors 41 et 44 et à travers la diode 6 et le condensateur 7. Lorsque la tension aux bornes du condensateur 5 est suffisanunent faible, les transistors 41 et 44 se bloquent et le cycle recommence. Au cours de la décharge de la capacité 5, il apparaît atix bornes du condensateur 7 une tension voisine de la tension VT et de signe opposé. Le circuit générateur représenté sur cette figure utilise donc comme capacité de relaxation le condensateur 5 de la pompe à diode. Ainsi, on a réalisé un circuit oscillateur ne coron portant pas de condensateur propre mais pouvant utiliser le condensateur de sa charge qui est ici le circuit de pompe à diode. Il est à noter que ce circuit peut coraporter diverses variantes, notamment en ce qui concerne le condensateur 7 : dans 7e cas d'une utilisation du dispositif sur une charge capacitive, ce condensateur 7 peut être supprimé, la capacité équivalente de la charge pouvant le remplacer dans le circuit de pompe à diode. Ainsi, le dispositif multiplieur de tension selon l'invention ne cofliporte plus qu'un seul condensateur, le condensateur 5. En outre, le dispositif décrit utilise des transistors 41 et 44 de type bipolaire, mais des transistors à effet de champ conviennent également. Certaines conditions doivent être respectées par les diverses résistances du circuit, notamment pour assurer un bon déblocage des transistors 41 et 44 lorsque la tension aux bornes du condensateur 5 atteint son maximum. Ainsi, la tension VT fixée par les résistances 45 et 46 ne doit pas être trop proche de la tension d'alimentation disponible entre les bornes 10 et 11. La tension de sortie, qui est fonction de cette tension VT, se trouve donc sensiblement réduite, ce qui n'est pas gênant pour les applications ne nécessitant pas une tension de sortie élevée.Néanmoins, pour ces dernières applications où la tension de sortie doit être particulièrement élevée par rapport à la tension d'alimentation, la présente invention prévoit un autre mode de réalisation du circuit multiplieur de tension dont les éléments sont décrits ci-dessous en relation avec la figure 5. Dans cette figure 5, le circuit multiplieur utilise un dispositif de pompe à diode tel que celui représenté en figure 3, c'est-à-dire fournissant une tension de sortie positive et superieure à la tension d'alimentation. Sur cette figure, on a représenté le condensateur 5 et les diodes 6 et 8 constituant le circuit de pompe à diode fonctionnant entre les bornes d'entrée 1 et 2, les bornes de sortie 3 et 4, et la borne d'ali3nen- tation 10. Le générateur de tension variable 9 représenté sur la figllre utilise des transistors bipolaires connectés selon une disposition dite du miroir de courant.Cette technique, bien colu1ue dans la réalisation descircuits intégrés, est dé cri Le ci-dessous en relation avec les transistors à jonction 51 et 52 de type iPN. Elle consiste à connecter enser,lble res pectivem-2nt les deux émetteurs -et les deux bases des transis- tors, et à connecter la base du Premier transistor 51 à son collecteur. Lorsque ces différents transistors sont suffisamment proches et de nature voisine, le courant traversant le transistor 52 est fonction du courant traversant le transistor 51 et ne dépend pratiquement pas du reste du circuit. Dans le circuit représenté, les émetteurs des transistors 52 et 51 sont connectés à la borne d'alimentation d'entrée 11, le collecteur du transistor 51 est connecté au collecteur d'un transistor 53 de type PIçP dont l'émetteur est relié à la borne de sortie 12 du générateur. La base du transistor 53 est connectée d'une part au collecteur du transistor 52, et d'autre part à l'émetteur d'un transistor 54 de type PNP. Le collecteur du transistor 54 est connecté à la borne 11. Une résistance 55 est connectée entre la base et le collecteur de ce transistor 54. Les trois transistors de type PrP 56, 57 et 58 sont montés en miroir de courant. Leurs trois émetteurs sont reliés à la borne d'alimentation 10, leurs trois bases sont reliées entre elles, et la base du transistor 56 est connectée à son collecteur.Le collecteur du transistor 56 est en outre relié par l'intermédiaire de deux diodes 59 et 60 en série à la borne 61 connectée à la base du transistor 54. Les deux diodes sont connectées de telle manière que leur cathode se trouve du côté de la borne 61. Le collecteur du transistor 57 est connecté à la base du transistor 53, et le collecteur du transistor 58 est connecté à l'émetteur du transistor 53. Le fonctionnement du circuit est le suivant Le transistor 56 est conducteur, et la tension entre sa base et son émetteur est faible devant la tension d'alimentation. La tension VT à la borne 61 est donc voisine de la tension d'ali- mentation, la différence n'étant due qu'à la chute de tension dans le transistor 56 et dans les deux diodes conductrices 59 et 60.Le courant dans le transistor 56 est donc pratiquement déterminé par la valeur de la tension d'alimentation et par la valeur de la résistance 55. Dans un premier temps, les transistors 51, 52 et 53 sont bloqués. Le condensateur 5 se charge alors à travers le transistor 58, la diode G et la charge. Lorsaue la tension à la borne 1 dépasse légèrement la tension V?, le transistor 53 revient conducteur.Le transistor 51 conduit alors wn certain courant, et oblige le transistor 52 à conduire sensiblement le même courant, ce q.li tend d ' une part à bloquer le transistor 5x, et d'autre part à assurer la satu- ration du transistor 53. Pendant cette conduction, le conden- sateur 5 se décharge à travers la diode 8, jusqu'à ce que la tension à la borne 12 atteigne une valeur minimum de blocage VB. A ce moment, les transistors 53, 51 et 52 se bloquent, et le transistor 54 devisent conducteur.Le condensateur 5 se charge alors à nouveau à travers le transistor 58 et le cycle recor- mence. La disposition de ce circuit a plusieurs avantages par rapport au circuit de la figure 4. Tout d'abord, la tension VT, qui fixe la tension maximale du condensateur 5, et donc la tension maximale de sortie, est rendue le plus voisine possible de la tension d'alimentation. D'autre part, les valeurs de blocage et d'amorçage des transistors de l'oscillateur ne dépendent plus des valeurs de résistances du circuit, Le fonctionnement du circuit est donc beaucoup moins influencé par une variation de la tension d'alimentation. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure, 7a charge est constituée par un transistor à effet de champ 70 et son circuit de commande constitué par une résistance 71, un transistor de type dPIf 72 et un moyen de commande 73. La grille du transistor à effet de champ 70 est reliée à la borne 3 par l ' in- termédiaire de la résistance 71 ; La source du transistor à effet de champ est connectée à la borne de sortie 4 ; Et son drain est connecté à la borne d'utilisation 74. L'émetteur du transistor 72 est relié à la borne de sortie 4, alors que son collecteur est relié à la grille du transistor à effet de champ 70.Le bloc 73 représente schématiquement le moyen de commande fournissant la tension de commande sur la base du transistor 72. La capacité 7 représentée en pointillés est la capacité de grille du transistor à effet de champ. Cette capacité est utilisée pour le circuit de pompe à diode. Ainsi, ce dispositif appliqué à la commande d'un transistor à effet de champ de puissance, de tpe D MOS, ne comporte qu'un seul condensateur 5. Sa réalisation sous forme intégrée est donc facilitée. Ce circuit permet d'obtenir une tension de sortie sensiblement égale au double de la tension d'alimentation. Le doublement de la tension d'alimentation est suffisant pour de nombreuses applications. Néanmoins, il est possible d'envisager son extension de façon classique en utilisant un circuit de pompe à diode à plusieurs étages. Cependant, la multiplication des condensateurs qui en découle rend plus difficile une réalisation sous forme de circuit intégré. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits mais en inclut diverses variantes et modifications accessibles à l'homme de l'art. En particulier, les diodes 6 et 8 peuvent être du type Schottky, ce qui permet d'améliorer encore le rendement de conversion du dispositif, la chute de tension en direct de ce type de diode étant notablement inférieure à celle des diodes P-N diffusées habituellement utilisées. REVENDICATIONS OtS 1 - Dispositif multiplieur de tension co; renant un oscillateur à condensateur et un circuit utilisant 1 procédé dit de la pompe à diode, caractérisé en ce qu'un condensateur de l'oscillateur est également élément du circuit de pompe a diode. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur ne comporte qu'un seul condensateur. 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, appliqué à une charge capacitive, caractérisé en ce que la capacité de charge est également élément du circuit de pompe à diode. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un condensateur unique. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour polariser la grille d'un transistor à effet de camp de type MOS, la capacité parasite de grille faisant office de charge capacitive. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit de pompe à diode est du type à tension de sortie négative. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit de pompe à diode est du type à tension de sortie positive. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le circuit oscillateur est polarisé par des transistors à jonction, le courant traversant leur émetteur étant fixé selon la technique dite du miroir de courant par le courant traversant un transistor monté en série avec une ré- sistance aux bornes de la source d'alimentation. 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la tension de déblocage de ltoscillateur est fixée par la tension atix bornes de ladite résistance, d'où il résulte que la tension crête de sortie de l'oscillateur est voisine de la ten sio d'alimentation. 10 - Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 a 9, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous forme intégrée.