Brevet FR2458947A1 — publié le 19810102

24S8947 la présente invention concerne un dispositif inverseur de phase à transfert de charges. Elle concerne également un amplificateur différentiel comportant un tel dispositif. Lors du traitement par transfert-de charges de signaux analogiques, il est souvent nécessaire de produire des signaux en opposition de phase. C'est le cas, par exemple, dans les am- plificateurs différentiels utilisés notamment dans l'étage de sortie des filtres à transfert de charges. Dans l'art antérieur, on convertit généralement le signal à inverser en tension, puis, on crée l'inversion de phase en tension et on ré-injecte en charges dans le dispositif à transfert de charges les variations de tension. Les conversions de charges en tension et vice-versa présentent l'inconvénient d'être peu linéaires et de gain diffi- cilement reproductible. D'autre part, les dispositifs permettant de réaliser ces conversions et l'inversion de phase en tension sont généralement encombrants et de consommation élevée. la présente invention concerne un dispositif qui réalise l'inversion de phase d'un signal en restant dans le domaine des charges. Ce dispositif présente l'avantage d'être facilement intégrable dans un dispositif à transfert de charges plus com- plexe: Il permet d'obtenir avec une bonne précision deux signaux en opposition de phase. Dans un mode de réalisation préféré, ce dispositif ne nécessite, outre la tension continue d'entrée qui est appliquée à plusieurs électrodes de transfert et de stockage, que trois signaux d'horloge qui assurent le transfert des char- ges, ce qui accroît sa simplicité et sa précision. le dispositif selon l'invention permet notamment de réaliser un amplificateur différentiel qui ne nécessite pas de conversion des charges en tension et qui présente donc par rap- port aux amplificateurs différentiels selon l'art connu des avantages au point de vue de la consommation et de l'intégration. 2 2458947 La présente invention concerne un dispositif inverseur de phase à transfert de charges qui reçoit une tension d'entrée V constituée par la superposition d'une tension continue V0 et e d'une tension variable dans le temps et échantillonnée v et e qui comporte des moyens effectuant la différence entre la quan- tité de charges double de celle correspondant à la tension con- tinue V0 et la quantité de charges correspondant à chaque échan- tillon de la tension variable v superposée à la tension e continue. Ainsi se trouvent élaborés des paquets de charges correspondant à une tension en opposition de phase avec la tension d'entrée V. e La tension d'entrée V s'écrit: V =V0 - ve. Après e e O e injection dans le dispositif, la quantité de charges Qe corres- pondant à la tension Ve s'écrit: Q = Qmoy qe. Selon l'inven- e e mo e tion, des moyens effectuent la différence entre 2 Qmoy et Qe Lorsque Qe est supérieur à Qmoy (Qe = Qmoy + qe)' le résultat de cette soustraction s'écrit: 2 Qmoy - (Qoy) oy - qe' +q) Qey Lorsque Qe est inférieur à Qmoy (Qe = oy qe) le résultat de cette soustraction s'écrit: 2 Qmoy - (Qoy - qe) Qoy + qe Le dispositif selon l'invention permet donc d'obtenir, à partir d'une quantité de charges Qmoy + qe' une quantité de charges Qmoy - qe et vice-versa. Une inversion de phase sur les charges est donc réalisée. La description suivante donne, à titre d'exemple, un mode de réalisation des moyens effectuant la soustraction selon l'invention. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'in- vention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent: - les figures la, b, c, une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention et des 24589-47 schémas illustrant son fonctionnement; - la figure 2, une vue en coupe transversale montrant le dispositif représenté sur la figure la inséré dans un dispo- sitif à transfert de charges plus complexe et un schéma illus- trant le transfert des charges; - les figures 3a, b, c, des diagrammes de signaux sus- ceptibles d'être appliqués au dispositif représenté sur la figure 2; - la figure 4, une vue de dessus d'un dispositif ana- logue à celui de la figure 2; - la figure 5, une vue de dessus d'un amplificateur différentiel selon l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raison de clarté, les cotes et proportions des différents éléments n'ont pas été respectées. La figure la représente une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Le dispositif selon l'invention est réalisé sur un substrat semiconducteur 1, en silicium de type P dans l'exemple, recouvert d'une couche isolante, en oxyde de silicium dans l'exemple, qui n'est pas représentée sur la figure la. Sur cette couche isolante, alternent des électrodes de stockage et de transfert de charges qui sont disposées sensiblement normalement à la direction de propagation des charges. Les électrodes de transfert sont déposées sur une surépaisseur d'isolant qui n'est pas représentée sur la figure la. Ainsi qu'il est connu, cette disposition a une double fonction, d'une part assurer la continuité des potentiels créés dans le semi-conducteur 1, et d'autre part imposer un sens de transfert unique pour les porteurs de charges. Cette structure comportant une surépaisseur d'isolant peut être remplacée par un surdopage du substrat, par implanta- tion d'ions, assurant les mêmes fonctions. Sur la figure la, on n'a représenté que les électrodes de transfert et de stockage constituant le dispositif inverseur de phase selon l'invention, à l'exclusion des électrodes de transfert et de stockage assurant uniquement le transfert des charges. Dans le mode de réalisation du dispositif selon l'in- vention représenté sur la figure la, les moyens effectuant la soustraction comportent notamment une première et une deuxième électrodes de stockage G et G2 connectées électriquement en un G1 2 point P qui peut être relié à la tension continue V0 ou qui peut 8tre laissé flottant, c'est-à-dire n'être relié à aucune source de tension. Sur la figure, un interrupteur K représente symbo- liquement les deux possibilités de polarisation du point P. En amont de la première électrode de stockage, selon le \sens de transfert des charges indiqué par une flèche, se trouve une électrode de transfert G01, portée à une tension constante VT, et une diode d'injection de charges De1, reliée à une ten- sion variable VD On connaft, dans l'art antérieur, le fonctionnement d'un dispositif constitué par les électrodes G1, G2, G01 et par la diode De1. Dans un premier temps; le point P est relié à la tension constante V. Avant l'arrivée des charges sous l'électrode de O stockage G2, la tension V appliquée à la diode De1 est succes- sivement inférieure puis supérieure au potentiel de surface Vréf sous l'électrode de transfert G01 reliée à VT. Une quantité de charges de référence Qréf est ainsi stockée sous l'électrode de stockage G 1. Dans un deuxième temps, le point P est laissé flottant. Lors de l'arrivée d'une quantité de charges Qe sous G2, le poten- tiel de surface sous G1 est maintenu constant à la valeur Vréf par G01 et l'excédent de charges est envoyé sous la diode De1' On démontre que la quantité de charges se trouvant sous De1 à la fin el de ce deuxième temps est sensiblement égale Qréf - Qe (il faut pour cela négliger la capacité de déplétion sous G2 devant les 2458947 capacités d'oxyde de G1 et G2). Le dispositif inverseur de phase selon l'invention comporte, en outre, une troisième électrode de stockage G e située en amont de la deuxième, G2, selon le sens de transfert des charges indiqué par une flèche. Cette troisième électrode de stockage Ge reçoit la tension d'entrée Ve en un point 0. Entre le point O et un point N, est reliée une résistance R. Entre le point O et un point M, est reliée une capacité C. La tension continue d'entrée V0 est appliquée au point N et la tension variable dans le temps et échantillonnée ve est appli- quée au point M. - En amont de la troisième électrode de stockage Ge selon le sens de transfert des charges, se trouve une électrode de transfert GOe portée, comme Go1, à la tension constante VT et une diode d'injection de charges De2' portée comme Dei' a la tension variable VD Selon l'invention, on rappelle qu'on doit effectuer la soustraction entre la quantité de charges double de celle cor- respondant à la tension continue V0 et la quantité de charges correspondant à chaque échantillon de la tension variable ve su- perposée à la tension continue. On injecte donc sous G1 une quan- tité de charges double de celle correspondant à la tension con- tinue VO, avant l'arrivée d'un échantillon sous la deuxième électrode de stockage C-2 et alors que le point P est à la tension constante V0. On maintient ensuite le potentiel de surface cons- tant sous la première électrode de stockage G1, lors de l'arrivée d'un échantillon sous la deuxième électrode de stockage G2 et alors que le point P est laissé flottant. Sur les figures la, b. c, on a représenté des schémas illustrant le fonctionnement du dispositif selon l'invention. Ces schémas représentent l'évolution du potentiel de surface dans le substrat 1. Les zones hachurées indiquent la présence de por- teurs minoritaires. La figure la illustre l'injection d'une quantité de charges Qrf sous l'électrode G et d'une quantité de charges Qe sous l'électrode G. L'injection de charges sous les électrodes e G1 et Ge se fait de la même façon. Les électrodes de transfert G01 et GOe sont reliées à la tension constante VT qui fixe le GO1 GoeT potentiel de surface sous G1 et Ge à la valeur maximale Vrf. La 1 e réf l tension VD appliquée aux diodes De1 et De2 prend successivement une valeur inférieure puis supérieure au potentiel de surface Vréf, ce qui provoque le stockage des quantités de charges Qréf et Qe sous G1 et G. Cette variation de la tension VD appliquée aux diodes se produit d'une part alors que le point P est relié à la tension constante V0 et avant l'arrivée d'un échantillon sous la deuxième électrode de stockage G2, et d'autre part, alors qu'un échantillon de la tension variable v est appliquée e au point M. Selon l'invention, la quantité de charges stockée sous G1, Séf doit être égale au double de la quantité de charges Qmoy correspondant à la tension continue d'entrée V0 ',Q moy 0 ,- TLa quantité de charges Q injectée sous l'électrode G + e 1 1 e qui reçoit la tension Ve = V - v s'écrit: e 0 e+ e = (V0 - Va) Ce ve Ce = oy - Qe' o Ce représente la 2Qe (Vo a)e- e capacité d'oxyde de l'électrode G. e La quantité de charges oy égale donc (V - Va) Ce, o oy O a e V est une constante qui dépend de Vr fet de caractéristiques a ref physiques qui sont les mgmes pour l'ensemble du dispositif à transfert de charges sur lequel est réalisé l'inverseur. D'autre part, la quantité de charges Qéf injectée sous l'électrode G1 qui reçoit la tension V s'écrit: Qréf = (V0 - Va) C1, o 01 représente la capacité d'oxyde de l'électrode G1. Lorsque le point P reçoit une tension constante égale à VO, il suffit de choisir la capacité d'oxyde de C1 double de celle de Ce pour que S,éf égale 2 QMoy ce qui est le résultat recherché. Pour obtenir la capacité d'oxyde de C1 double de celle 7 2458947 de Ce, on donne généralement à l'électrode de stockage G1 une surface double de celle de Ge, ce qui peut être réalisé avec une bonne précision. La précision du dispositif selon l'invention dépend en effet de l'égalité des charges 2 Qmoy et r f. Il est possible, pour diminuer le nombre de tensions de polarisation du dispositif selon l'invention de choisir VT, la tension constante appliquée aux électrodes de transfert GO1 et GOe, égale à la tension continue d'entrée V0. Après injection de la quantité de charges Qéf = 2 Roy' le point P est laissé flottant. le potentiel de surface sous la première électrode de stockage G1 est maintenu constant à la valeur Vréf par l'électrode de transfert GO1 portée à la tension constante VT (qui peut être égale à VO). la diode d'injection De1 est portée à une tension supérieure au potentiel de surface Vréf. La quantité de charges Qe est transférée sous la deuxième électrode de stockage G2. Lors de l'arrivée de la quantité de charges Qe sous G2, une quantité de charges équivalente est soustraite de Qéf stockée sous G1 et évacuée vers la diode Del. Il reste donc sous G1 la quantité de charges QS telle que: Q = 2 %oy - Qe' ce qui est bien le résultat recherché. La figure la représente les potentiels de surface sous le dispositif selon l'invention dans le cas oh VT égale V0 et dans le cas à6 la surface de l'électrode G1 est double de celle de l'électrode Ge e La tension d'entrée Ve peut varier autour de V0 entre Va et 2 V0 - Va. Le potentiel de surface sous Ge avant l'injec- tion des charges peut donc varier d'une même quantité 0 autour de 60. la variation de potentiel de surface A 0 sous la deu- xième électrode de stockage G2 dépend, pour une quantité de charges Qe donnée, des valeurs relatives des capacités d'oxyde C1 et C2 des électrodes de stockage G1 et G2. En première approximation, la profondeur du puits de potentiel V sous l'électrode G à partir du niveau Vrf e e f s'écrit: AVeg Qe. ce L'écriture des relations en charges au point P et sous l'électrode G2, après injection de la quantité de charges tf sous l'électrode G1 et après injection de la quantité de charges Qe.sous l'électrode G2, permet d'obtenir l'expression de A0 suivante, dans laquelle la capacité de déplétion sous G2 est a1 + C 2 négligée: A X Q 1. 2 Le puits de potentiel créé sous la deuxième électrode de stockage G doit être suffisant pour que la quantité de char- ges maimale max' injectée sous Ge et correspondant à une pro- fondeur de puits sous G avant injection des charges égale à e 00 + 00, puisse y être stockée. Pour minimiser la variation de potentiel de surface A 0 sous G2, on choisit la capacité d'oxyde de G2, et donc sa sur- face, telle que: C2 c1 = 2 Ce. Les figures la, b et c représentent les potentiels de surface dans le substrat dans le cas.o: C1 = C = 2 0e. 1 2 e Dans ce cas et toujours en première approximation, les variations de potentiel de surface sous G2, A 0, sont égales aux variations de potentiel de surface sous Ge, L 0e La figure.1 lb représente les potentiels de surface dans le cas o la quantité de charges injectée Q égale: Qe = Qmoy + 2 Qmoy La figure 1lc représente les potentiels de surface dans le substrat dans le cas oh: Q Qoyoy La figure 2 représente une vue en coupe transversale montrant le dispositif représenté sur la figure 1la inséré dans un dispositif à transfert de charges plus complexe, ainsi qu'un schéma illustrant le transfert des charges. Sur la figure 2, des couples électrode de transfert G0- électrode de stockage G, qui assurent le transfert des charges, sont ajoutés au dispositif selon l'invention représenté sur la figure la entre les grilles Ge et G2, après l'électrode G2 et après l'électrode G1. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, l'électrode de transfert G02 qui précède G2 est portée à une tension cons- tante Vu inférieure à VO pour accroître la profondeur du puits sous G2. Les figures 3a, b, c représentent des diagrammes de signaux susceptibles d'être appliqués au dispositif représenté sur la figure 2. Ces-signaux d'horloge 01, 02 et 03 sont des fonctions périodiques de même période T dont l'amplitude varie entre un niveau bas et un niveau haut. Les signaux 01 et 02 sont pratiquement en opposition de phase, avec toutefois un léger recouvrement au niveau haut comme cela est d'usage dans le domaine des transferts de charges. le signal 03 passe au niveau haut alors que 01 s'y trouve déjà et revient au niveau bas avant 01. Le signal 01 est appliqué aux diodes Del et De2, ainsi qu'à un couple électrode de transfert - électrode de stockage sur deux, et en particulier à celui qui suit l'électrode G. e Le signal 02 est appliqué au transistor MOS T1, relié entre le point P et la tension VO, et qui remplace l'interrupteur K représenté sur la figure la. le signal 02 est également appli- qué à un couple électrode de transfert - électrode de stockage sur deux, et en particulier à celui qui précède le couple élec- trode de transfert G - électrode de stockage G2. 02 2 Enfin, le signal 03 est appliqué au couple d'électrodes suivant les électrodes de stockage G1 et G2. Au temps t1, le signal 02 est au niveau haut et les signaux 01 et 03 sont au niveau bas. Les potentiels de surface dans le substrat sont représentés sur la figure 2 en trait con- tinu. Les électrodes G1 et G2 reçoivent par le transistor T1 qui est rendu conducteur la tension continue VO. Le passage de 01au niveau bas provoque l'injection par les diodes des quantités de charges Q1,. et Q5 sous G1 et Ge. Ces quantités de charges sont bloquées sous G1 et Ge par les couples d'électrodes suivant G1 et G qui sont au niveau bas. e Au temps t2, le signal 01 est au niveau haut et les signaux 02 et 3 sont au niveau bas. les potentiels dans le substrat sont représentés en trait discontinu sur la figure 2. Le couple d'électrodes précédant le couple électrode de transfert G électrode de stockage G2 assure le transfert sous G de la 02 22 quantité de charges Qe' et ainsi la formation de la quantité de charges Qmoy - Q e correspondant au signal inversé en phase sous l'électrode G. ES 1 Au temps t5, les signaux 01 et 03 sont au niveau haut et le signal 02 est au niveau bas. les potentiels de surface dans le substrat sont représentés en pointillés sur la figure 2. 15. Les couples d'électrodes suivant G1 et G2, qui sont portés au niveau haut, assurent l'évacuation des charges stockées sous G1 et sous G2. Le dispositif selon l'invention est ainsi prêt pour recevoir au temps t1 suivant une nouvelle quantité de charges Q 1 e correspondant à un nouvel échantillon de la tension d'entrée sous l'électrode G e La précision du dispositif selon l'invention dépend - de la précision avec laquelle on peut réaliser la surface de l'électrode G double de celle de l'électrode G; 1 e - de l'importance de la capacité de déplétion sous l'électrode G2 qui est considérée comme négligeable par rapport aux capacités d'oxyde C1 et C2 des électrodes G1 et G2; - mais surtout de l'importance de la capacité parasite au point P qui est due notamment au recouvrement des électrodes de transfert et de stockage et au transistor M0S T1 qui est con- necté au point P. La figure 4 représente une vue de dessus d'un dispositif analogue à celui de la figure 2. Dans le dispositif représenté sur la figure 4, les électrodes de stockage Ge et G2 d'une part, et G1 d'autre part, 11 2458947 sont réalisées dans deux canaux à transfert de charges paral- lèles 2 et 3. le canal 2 délivre des quantités de charges corres- pondant à la tension d'entrée Ve et le canal 3 délivre des quantités de charges correspondant à la tension d'entrée inversée en phase. Le dispositif représenté sur la figure 4 présente l'avantage, du point de vue de la réalisation pratique, d'avoir un encombrement réduit. La figure 5 représente une vue de dessus d'un amplifi- cateur différentiel selon l'invention. Le dispositif représenté sur la figure 5 comporte un dispositif inverseur de phase tel qu'il a été précédemment décrit, qui inverse la phase de l'une des deux tensions d'entrée de l'amplificateur différentiel, soit Ve. cette tension. l'amplificateur différentiel selon l'invention comporte plusieurs canaux à transfert de charges isolés par des diffusions d'isolement et parallèles. Il comporte notamment des canaux 2 et 3 identiques à ceux représentés sur la figure 4. Le canal 2 reçoit la tension d'entrée à inverser Ve. et transfère la charge à inverser Q,. Le canal 3 génère la charge signal inversée - Qe et la transfère. L'amplificateur différentiel selon l'invention comporte également un canal 4 qui reçoit la deuxième tension d'entrée de l'amplificateur différentiel Ve+ et qui transfère la + e charge Qe. Enfin, un canal 5 réalise la jonction des canaux 3 e + et 4 et la sommation des charges Q. et -Qe. Ces charges sont transférées sur le canal 5 et lues sur des diodes flottantes Dr et D2 reliées à un étage suiveur, comme cela est connu. Le canal 4 comporte un dispositif d'injection des charges identique à celui du canal 2. Ce dispositif est notamment constitué d'une diode d'injection des charges De3 et d'une élec- trode de stockage Gé à laquelle est appliquée la tension d'entrée V + de l'amplificateur différentiel. e On a vu précédemment que la précision du dispositif in- verseur de phase selon l'invention dépend surtout de la capacité parasite C existant au point P o sont connectées la première 12 2458947 et la deuxième électrodes de stockage G1 et G2. La capacité parasite Cp fait que la quantité de charges qui est évacuée de G2 lors de l'arrivée de Qe- sous G1 n'est pas égale à Q mais à cd Q qui est ainsi définie: e0 C2 oQe = C + C0 Qe Qinitiale - Qfinale P 2 a quantité de charges initiale 9initiale sous 1 est égale à 2 Qo. la quantité de charges Qfinale sous G s'exprime donc: Qfinale 2 Qmoy c charges Q+ sur la canal 4 avec un facteur d'atténuation c>. Il suffit pour cela que le rapport des surfaces, ou des longueurs lorsque les largeurs sont constantes ce qui est géné- ralement le cas, des deux électrodes de stockage G et G Y e e auxquelles sont appliquées les deux tensions d'entrée de l'ampli- ficateur V +et Ve, soit égal à Surface Ge' = LT e e Surface Ge - Dans ce cas, en effet, la quantité de charges Q.+ injectée dans le çanal 4 s'écrit: Q+ C> la précision avec laquelle peut être déterminée la capacité para- site Cp et donc le coefficient oY. R E V E N D I. A T I O N S 1. Dispositif inverseur de phase à transfert de charges, recevant une tension d'entrée (V) constituée par la superposition d'une tension continue (V0) et d'une tension variable dans le temps et échantillonnée (Ve), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens effectuant la soustraction entre la quantité de charges double de celle correspondant à la ten- sion continue (2Q moy) et la quantité de charges correspondant à chaque échantillon de la tension variable superposé à la tension continue (Qmoy q) 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens effectuant la soustraction sont réalisés sur un substrat semiconducteur (1) recouvert d'une couche isolante sur laquelle alternent des électrodes de transfert et des électrodes de stockage des charges et comportent: - une première et une deuxième électrodes de stockage (G1, G2) connectées électriquement en un point P; - une troisième électrode de stockage (G e), située en amont de la deuxième, selon le sens de transfert des charges et recevant la tension d'entrée (V e); - des premiers moyens assurant l'injection sous la première électrode de stockage d'une quantité de charges double de celle correspondant à la tension continue (2Q moy), avant l'arrivée d'un échantillon sous la deuxième électrode de stockage et alors que le point P est à la tension continue V0; - des seconds moyens assurant le maintien d'un poten- tiel de surface constant (Vréf) sous la première électrode de stockage, lors de l'arrivée d'un échantillon sous la deuxième électrode de stockage et alors que le point P est laissé flottant. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premiers moyens sont constitués par une électrode de transfert (Go1, G02), portée à une tension constante VT' et par une diode d'injection des charges (D 1, De2), situées en amont de la première et de la troisième électrodes de stockage (G1, Ge), selon le sens de transfert des charges, chaque diode d'injection étant successivement portée à une tension inférieure puis supérieure au potentiel de surface (V) sous l'électrode réf de transfert reliée à Ve et caractérisé en ce que la surface de la première électrode de stockage est double de celle de la troisième 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les seconds moyens sont constitués par l'électrode de transfert (G01), portée à la tension constante V, et par la diode d'injection de charges (Del) qui sont situées en amont de la première électrode de transfert (G1), selon le sens de trans- fert des charges, la diode d'injection étant portée à une ten- Sion supérieure au potentiel de surface (V -) sous l'électrode ref de transfert reliée à VT-. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la tension constante V est égale à la tension continue d'entrée (V 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la surface de la deuxième électrode de stockage (G2) est.-supérieure ou égale à celle de la première (G1). 7. Amplificateur différentiel, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 qui inverse la phase de l'une des deux tensions d'entrée (V, V) e e de l'amplificateur. 8. Amplificateur différentiel selon la revendication 7, caractérisé en ce que le rapport des surfaces des deux électrodes de stockage (Ge'; Ge) auxquelles sont appliquées la tension + d'entrée Ve et la tension d'entrée à inverser V de l'amplifi- e e e cateur, est égal au rapport de la capacité d'oxyde (C1) de la première électrode de stockage (G1) du dispositif inverseur sur la somme de cette capacité et de la capacité parasite (Ce) au point P du dispositif inverseur.