Brevet FR2462050A1 — publié le 19810206

-1- DIVISEUR DE TENSION MOS L'invention concerne des diviseurs de tension MOS, et particulièrement un diviseur de tension amélioré dans lequel des variations de tension de seuil et de tempe- rature ambiante n'influent que légèrement sur la tension de sortie. Les diviseurs de tension MOS sont fréquemment utili- sés par exemple comme générateurs de tension de référence pour les circuits tampons d'entrée de type amplificateur différentiel utilisés dans des mémoires dynamiques 4X et 16K dites RAMS (random access memories = mémoires à accès aléatoire). Le terme MOS est dérivé de l'abréviation MOSFET, c'est-à-dire métal oxide semiconductor field effect tran- sistor (= transistor à effet de champ à grille isolée par oxyde métallique). En général, ces générateurs de tension nécessitent un grand nombre de transistors montés en série, et donnent lieu ainsi à de nombreuses chutes de tension de seuil, ce qui n'est acceptable que dans le cas de tensions d'entrée relativement élevées. Le brevet américain n0 4 069 430 délivré à Masuda le 17 janvier 1978 fait mention d'un circuit diviseur de ten- sion MOS comportant des transistors à effet de champ à enri- chissement aussi bien que des transistors à effet de champ à appauvrissement, qui sont tous montés en série. La demande de brevet allemand n0 2 435 606 publiée le 22 juin 1968 fait mention de deux transistors à effet de champ à appauvrisse- ment connectés en série. Le brevet américain no 4 152 716 délivré à Torii et collaborateurs le ler mai 1979 fait men- tion de divers transistors à effet de champ à enrichissement, tous connectés en série. -2- La tension de sortie est très stable comparativement aux variations de tension de seuil. Si l'on utilise des transistors à enrichissement, le diviseur de tension fonc- tionne bien jusqu'à une tension d'alimentation égale à deux valeurs de tension de seuil. Les variations de tension de seuil peuvent avoir plusieurs causes. C'est à la suite de différences de condi- tions d'utilisation, que la tension de seuil d'un transistor inséré dans un dispositif utilisé à un certain instant peut être différente de celle d'un transistor inséré dans un dis- positif utilisé à un autre instant. Au cours du fonctionne- ment d'un dispositif déterminé, des fluctuations de tempé- rature peuvent provoquer la variation de la tension de seuil. Au cours du fonctionnement du dispositif, il se peut, en outre, qu'une variation de la tension de polarisation du substrat résulte dans un changement de la tension de seuil. - Outre sa simplicité, le diviseur de tension conforme à l'invention se distingue par le fait qu'il fournit une tension de sortie très stable. Par le choix correct de la seule géométrie du transistor, il est possible de rendre la tension de la borne de sortie indépendante de variations de tension de seuil et de fluctuations de température pour des valeurs de tension de sortie supérieures à la valeur de ten- sion de seuil et inférieures à la moitié de la tension d'a- limentation d'entrée. De plus, le rapport entre les tensions d'alimentation de sortie et d'entrée reste constant. La figure 1 est un schéma d'un diviseur de tension conforme à l'invention. La description suivante est faite en regard du dessin annexé. La figure unique représente un diviseur de tension MOS conforme à l'invention. Le diviseur comporte trois tran- sistors MOS 10, 12, 14 couplés à trois bornes 16, 18, 20. Dans la-suite de cet exposé, la borne 16 sera désignée sous le nom de borne d'entrée, la borne 18 sous le nom de borne de sortie et la borne 20 sous le nom de borne commune, re- présentée mise à la masse. La borne d'entrée 16 est branchée sur la tension d'alimentation de drain VDD, alors que la -3- borne commune 20 est branchée sur la tension d'alimentation de source V Les transistors 10 et 12 sont connectés en série entre la borne d'entrée 16 et la borne commune 20. De son côté, le drain du transistor 10 est connecté à la borne d'entrée 16. La source du transistor 10 et le drain du tran- sistor 12 sont interconnectés et raccordés à la borne de sortie 18. La source du transistor 12 est connectée à la borne commune 20. Les grilles des transistors 10 et 12 sont interconnectées et raccordées à la borne d'entrée 16. Le transistor 14 et le transistor 12 sont disposés entre la borne de sortie 18 et la borne commune 20, les drains des transistors 12 et 14 étant connectés à la borne de sortie 18, alors que les sources de ces transistors sont connectées à la borne commune 20. La grille du transistor 14 est connectée au drain de celui-ci ainsi qu'à la borne de sortie 18. Tous les transistors 10, 12, 14 sont de même type, de préférence à enrichissement. Le transistor à enrichisse- ment est non conducteur aussi longtemps que le potentiel de grille est inférieur à un niveau de tension de seuil situé au-dessus du potentiel de source, tandis qu'il est parcouru par du courant lorsque le potentiel de grille dépasse le niveau de tension de seuil. Quoique le diviseur puisse fonc- tionner si tous ces transistors sont de type à appauvrisse- ment, il est préférable d'utiliser des transistors de type à enrichissement à cause de leur meilleure reproductibilité. En tout cas, le diviseur ne doit pas comporter tout à la fois des transistors à enrichissement et des transistors à appauvrissement. Comme les grilles de tous les transistors 10, 12, 14 sont portées à un potentiel élevé, les transistors sont par- courus par un courant, et la tension d'alimentation d'entrée VDD appliquée à la borne d'entrée 16 est divisée en propor- tion des valeurs d'impédances ohmiques des transistors. Puisque la valeur d'impédance ohmique d'un transistor est fonction de son rapport W/L, il est évident aussi qu'on peut -4- régler les rapports de la division de tension en réglant en correspondance le rapport W/L des transistors. Le coefficient d'amplification B d'un transistor MOS est défini par la relation suivante: e =:oCo W/L dans laquelle la référence /u0 indique la mobilité des porteurs de charge dans le canal, la référence Co0 la capacité de l'oxyde par unité de surface la référence W la largeur du canal, et enfin la référence L la longueur du canal ou la distance entre la source et le drain. Dans l'analyse mathématique suivante, 1 B2 ' B3 sont, dans cet ordre, les coefficients d'amplification associés aux transistors 10, 14 et 12, la référence VT est la tension de seuil des transistors, et les références W1, W2, W3 sont, dans cet ordre, les largeurs de canal des transistors 10, 14, 12. Les équations courantes pour les trois transistors peuvent être écrites comme suit: B1 _B2 2 el (V in - VT- V out)2 2 (V out - VT) + 2 2 T $3{(V in - VT) V out - 1 V out2} (1) Lorsqu'on suppose que la longueur de canal et les paramètres de processus sont égaux pour tous les transis- tors, ceci conduit à l'expression: W1(V in - VT - V out)2 = W2(V out - VT) 2 + W3{2(V in - VT) V out - V out2} (2) 2'i62050 -5- En différenciant cette équation relativement à la tension VT, on obtient: V out_ 2 W (V in VT - V out)(- 1- 6V ot 1 T 6VT 2 W2 (V out VT) (V ut - 1) 2V out l..{2(V in - VT) V t - 2 V out - 2 V out V out T 6VT (3) En résolvant cette équation pour le rapport CV out SVT et en supposant pour celui-ci la valeur 0, on obtient - - 2 W1(V in - VT - V out) + 2 W2(V out - VT) + 2 W3 V out=0 (4) Avec!équation (2), il y a maintenant deux équations comiortant les variables W1 P W2 g W3 Pour un ensemble particu!ier de valeurs des références V inT VT et V out, les variables W1 et W2 peuvent être exprimées colmme des fractions de la variable W3 o De façon similaire, on peut déduire l'expression suivante qui est valable tant que -V - ut2V in V in- Dans le cas o V in = 5 V, VT = 0,8 V, V out - 1,5 V, on obtient pour W1 la valeur 1,72 W3, pour W2 la valeur 4,5 W3 g dans lesquelles W3 peut être choisi librement parce qu'elle détermine seulement le niveau de courant dans le diviseur de tension. Dans ce calcul, on a négligé le résul- tat de l'effet de peau sur la tension de seuil du transistor 10. I1 est assez compliqué d'intégrer cet effet dans l'ana- lyse mathématique. Toutefois, il est possible de l'intégrer dans une analyse faite par ordinateur; celle-ci donnera des valeurs légèrement différentes pour W1/W3 et W2/W3. -6- Le diviseur conforme à l'invention fournit une ten- sion de sortie qui est une fonction linéaire de la tension d'entrée et qui est relativement insensible aux variations de la tension de seuil. Typiquement, la variation de la tension de sortie en fonction de la tension de seuil n'est que de l'ordre de 10 mV par volt. D'autre part, la varia- tion de la tension de sortie en fonction des fluctuations de température n'est que de l'ordre de 65 microvolts par degré Kelvin. o462050 -7- - REVENDICATIONS - 1. Diviseur de tension oeactéris m qutil compte a) une borne d'entrée (16) , une borne de sortie (18) et une borne commune (20), b) un premier et un deuxième transistor (12, 14) à effet de champ formant une combinaison parallèle entre ladite borne de sortie (18) et ladite borne commune (20), et c) un troisième transistor (10) à effet de champ connecté entre ladite borne d'entrée (16) et ladite borne commune (20) de façon à être monté en série avec la combinaison parallèle formée par lesdits premier et deuxième tran- sistors (12, 14) à effet de champ, ledit diviseur four- nissant sur ladite borne de sortie (18) une tension continue qui est faible comparativement à la tension continue appliquée à ladite borne d'entrée (16). 2. Diviseur de tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que les grilles desdits premier (12) et troisième (10) transistors sont connectées ensemble à ladite borne d'entrée (16) et que la grille dudit deuxième transistor (14) est connectée à ladite borne de sortie (18). 3. Diviseur de tension selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits transistors (10, 12, 14) sont tous du type à enrichissement.