Brevet FR2473745A1 — publié le 19810717

-1- La présente invention concerne un montage comparateur perfectionné, particulièrement propre à être réalisé sous la forme d'un dispositif à circuit intégré par utilisation de la technologie métal-oxyde- silicium complémentaire (CMOS). On utilise depuis longtemps sur une grande échelle des comparateurs, en tant que modules dans des montages électroniques, en vue de comparer deux sources de signaux et d'amplifier la différence entre celles-ci, par exemple dans des montages de conversion analogique-numérique. Il est souvent nécessaire que cette différence entre deux sources de signaux soit détectée très rapidement. Ces exigences de vitesse sont devenues particulièrement difficiles à satisfaire lorsqu'on a cherché à réaliser des montages comparateurs en tant que partie de dispositifs à circuit intégré plus importants, o la différence entre les valeurs des signaux est faible. Des tentatives antérieures d'obtention d'une vitesse relativement grande sont décrites, par exemple, dans le IEEE Journal of Solid State Operation Circuits, février 1979, pages 38-46 et dans le Mémorandum n' UCB/ERL M78/27 du 24 mai 1978, du College of Engineering, Université de Californie, Berkeley, Californie, E.U.A., page 128. Toutefois, des montages tels que décrits dans ces documents exigent une fraction relativement grande de la superficie d'une "microplaquette" de circuit intégré et également une énergie d'alimentation importante. Pour la réalisation d'un comparateur en tant que partie d'un circuit intégré monolithique, tel qu'un "codec" destiné à être utilisé dans la transmission numérique, de telles exi- gences excessives de superficie de microplaquette et d'énergie d'alimentation ne sont pas désirables. La présente invention résout ce problème. Compte tenu de ce qui précède, l'invention a -2- pour objet de créer - un montage comparateur perfectionné se prêtant particulièrement bien à une réalisation sous la forme d'un dispositif à circuit intégré; - un comparateur à pouvoir de résolution élevé et à grande vitesse (par exemple un comparateur capable de "résoudre" moins de 300 pV en moins de 2 as); - un comparateur offrant de bonnes carac- téristiques de rejet de mode commun, ce qui constitue un critère important pour les systèmes à haute résolu- tion; - un comparateur à consommation d'énergie re- lativement faible utilisant une excitation en classe A-B pour la sortie. Un comparateur basé sur les principes de l'invention comprend un circuit de technologie Métal- oxyde-Silicium Complémentaire (CMOS) consistant en quatre étages. Le premier étage est un préamplificateur d'entrée réalisé sous la forme d'un amplificateur différentiel, qui reçoit les deux entrées de données à comparer. A cet amplificateur différentiel est connecté un étage à source suiveuse, qui fournit une sortie à faible impédance excitant un autre amplificateur différentiel. Ce second amplificateur différentiel excite un autre étage de gain monté en cascode utilisant une excitation en pushpull. Le pré-amplificateur d'entrée est un étage à gain élevé et à large bande, qui sert à appliquer à grande -30 vitesse un signal relativement fort aux étages de gain suivants qui, à leur tour, sont conçus de manière à répondre rapidement à des stimuli cons- titués par des signaux forts. La grande largeur de bande est assurée par les dispositifs à source suiveuse qui séparent la capacité d'entrée d'élément du second -3- amplificateur différentiel. Un verrouillage par diodes est utilisé pour contraindre le pré-amplificateur à rester dans la région de saturation, de manière à assurer un gain adéquat au cours du fonctionnement, avec des données d'entrée constituées par des signaux relativement faibles et également avec une réponse relativement rapide pour l'étage d'entrée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen du dessin joint, qui en représente, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré. Sur ce dessin: La Figure unique représente un schéma de montage d'un comparateur, dont la réalisation est basée sur les principes de l'invention. Sur le dessin est représenté un schéma de montage d'un comparateur 10, dont la réalisation est basée sur des principes de l'invention, qui conviennent particulièrement bien pour une réalisation sous la forme d'une partie d'un dispositif semi-conducteur à circuit intégré monolithique. Dans ses grandes lignes, le montage comprend une section de premier amplificateur différentiel 12, qui est essentiellement un préamplifica- teur d'entrée recevant les deux entrées de tension à comparer. A la section d'amplificateur 12 est connecté un étage à sources suiveuses 14, qui commande les entrées d'une section de second amplificateur différentiel 16. Cette dernière est connectée, par l'intermédiaire d'un réseau push-pull B, à un troisième étage de gain monté en cascode 20, qui fournit la sortie du montage. Tous les composants précités du montage peuvent être constitués par des transistors à effet de champ de technologie Métal-Oxyde-Silicium (qui seront dits HOSFET dans la suite de la description) faisant partie d'une structure de circuit intégré monolithique. -4- Dans l'exemple représenté, tous les éléments du montage sont branchés entre des conducteurs d'alimentation VDD et VSS, 22 et 24. Le premier amplificateur différentiel 12 est constitué par un MOSFET 26 à courant constant ayant une borne source/drain connectée au conducteur 24 et son autre borne connectée à un conducteur 28, auquel est également connectée une borne source/drain de chacun de deux MOSFET d'entrée de signaux 30 et 32. La grille du MOSFET 30 est connectée, par l'intermédiaire du conducteur 34, à une source d'entrée de données pour les signaux de tension à comparer, et la grille du MOSFET 32 est connectée par un conducteur 36 à la masse. Les autres bornes des MOSFET 30 et 32 sont connectées par une paire de conducteurs 38 et-40 aux bornes d'une autre paire de MOSFET 42 et 44. L'autre borne de chacun de ces derniers MOSFET est connectée au conducteur d'alimentation 22 et leurs grilles respec- tives sont interconnectées par un conducteur 46. Un conducteur 48 partant de ce dernier conducteur aboutit au conducteur d'interconnexion 38 entre les MOSFET 30 et 42. Sur deux conducteurs séparés s'étendant entre les conducteurs 38 et 40 sont montées deux diodes de ver- rouillage 50 et 52, qui jouent un rôle important dans le fonctionnement du montage. L'étage à source suiveuse 14 comprend une première paire de MOSFET 54 et 56 montés en série entre les conducteurs d'alimentation 22 et 24, et une seconde paire de dispositifs MDSFET 58 et 60 montés d'une manière analogue. La grille du MOSFET 54 est connectée à un noeud 62 sur - le conducteur 38 du premier amplificateur différentiel, auquel aboutit également l'une des extrémités du con- ducteur d'interconnexion partant de la diode 50. L'autre extrémité de ce conducteur sur lequel est montée la diode 50 est connectée à un "noeud" 64 sur le conducteur d'interconnexion 40. Ce dernier "noeud" est également connecté à la grille du MOSFET à source suiveuse 58. La grille du MOSFET 56 reçoit une tension de polarisation et est connectée à la grille du MOSFET d'amplificateur différentiel 26, dont la grille est à son tour également connectée au MOSFET à source suiveu- se 60. Les MOSFET à source suiveuse 54 et 56 sont interconnectés par un conducteur 66 et les MOSFET 58 et sont interconnectés d'une manière analogue par un conducteur 68. Sur ces conducteurs 66 et 68 sont bran- chés, respectivement, deux conducteurs 70 et 72 qui aboutissent aux grilles respectives de deux MOSFET 74 et 76. Ces derniers MOSFET sont les dispositifs d'en- trée du second amplificateur différentiel 16. Des bornes source-drain respectives de ces derniers MOSFET sont interconnectées par un conducteur 78 relié à l'une des bornes d'un MOSFET 80, dont l'autre borne est connectée au conducteur d'alimentation VSS, 24. La grille du MOSFET 80 est connectée à la grille du dispositif à source suiveuse 60. Aux MOSFET 74 et 76 sont respecti- vement connectés, par une paire de conducteurs 82 et 84, deux autres MOSEET 86 et 88. Les autres bornes de ces derniers dispositifs sont connectées au conducteur d'alimentation 22 et leurs grilles respectives sont interconnectées par un conducteur 90 relié par un conducteur 92 à un noeud 94 sur le conducteur 82. Comme décrit précédemment, le second ampli- ficateur différentiel est connecté à un réseau push-pull constitué par une paire de MOSFET 96 et 98 montés en série entre les conducteurs d'alimentation 22 et 24. La grille du MOSFET 96 est connectée à un conducteur partant d'un noeud de sortie 102 disposé sur le conducteur 84 du second amplificateur différentiel. La grille du MOSFET 98 est connectée au conducteur 104, qui est également relié à la grille des MOSFET 26, 60 2 4737 45 - 6- et 80. Les deux MOSFET 96 et 98 sont interconnectés par un conducteur 106 et un noeud de sortie 108 disposé sur ce conducteur est relié à la grille d'un MOSFET de l'étage de gain monté en cascode 20 du compara- teur 10. Ce dernier étage de gain comprend également des MOSFET 112 et 114, qui sont montés, en série avec le MOSFET 110, entre les conducteurs d'alimentation 22 et 24. La grille du MOSFET 112 est connectée au conducteur 100 partant du second amplificateur diffé- rentiel 16 et la grille du MOSFET 114 est mise à la 'zs masse. Les MOSFET 110 et 114 sont interconenctés par un conducteur 116, sur lequel est prévu un noeud 118 qui assure la sortie du montage. En fonctionnement, lorsque de l'énergie est appliquée entre les conducteurs 22 et 24, tous les éléments du montage sont alimentés et sont prêts à fonctionner. Un signal d'entrée est appliqué à la grille du MOSFET 34 et la grille du MOSFET 32 est mise à la masse. Cela provoque une amplification de la différence entre les signaux d'entrée par le premier amplificateur différentiel, à son noeud 64. La fonction des diodes 50 et 52 est de verrouiller le noeud 64 à un niveau différent d'une chute de diode de celui du noeud 62. Cela limite l'excursion de tension du noeud 64 et, par conséquent, le premier étage différentiel est maintenu plus longtemps dans la région de fonctionnement à la saturation. Par suite, cet étage peut "revenir" plus rapidement de la région de fonctionnement linéaire, par exemple lorsqu'un fort signal d'entrée différentiel était présent à son entrée et est maintenant présenté avec des signaux d'entrée différentiels faibles de la polarité opposée. La sortie de l'amplificateur différentiel excite les MOSFET à source suiveuse 54, 56, 58 et 60. -7- Les dispositifs à source suiveuse séparent le premier étage différentiel de la capacité d'entrée du second étage différentiel. La capacité d'entrée du second étage différentiel peut être grande en raison de la multiplication par effet Miller de la capacité de che- vauchement grille-drain des MOSFET. Par conséquent, les dispositifs à source suiveuse 14 servent à élargir la bande du premier étage de gain ou amplificateur différentil 12, ce qui assure une vitesse plus grande du montage. La sortie des dispositifs à source suiveuse excite directement les MOSFET d'entrée 74 et 76 du second étage de gain ou amplificateur 16. Cet étage n'exige pas de verrouillage par diodes, étant donné qu'il est conçu pour supporter de fortes excursions de tension. Cet étage excite l'étage de gain final. L'étage de gain final est un étage en cascode. Cela réduit la capacité d'entrée de cet étage, et par consé- quent, cela élargit la bande du second étage de gain différentiel. L'étage en cascode est réalisé au moyen des MOSFET 112, 114 et 110. Le MOSFET 114 limite l'excursion des signaux et, par conséquent, le gain sur le noeud entre les MOSFET 112 et 114. Cela réduit la capacité d'entrée de cet étage de gain. Les MOSFET en push-pull 96 et 98 sont montés entre les second et troisième étages de gain, ce qui assure une conservation d'énergie en faisant fonctionner les MOSFET 14 et 15 du troisième étage de gain sur le mode classe A-B (c'est-à-dire que quand 96 tend à devenir conducteur, 98 tend à se blo- quer et vice-versa). En résumé, on voit que le montage comparateur fonctionne de manière à pouvoir recevoir et comparer les signaux relativement faibles, qui sont amplifiés par des étages permettant des excursions de signaux - 247T745 -8- d'entrée relativement grandes. En conséquence, le montage offre une large gamme de performance qui peut être appliquée à toute une variété d'utilisations en outre, il ne comprend qu'un nombre relativement petit de composants, qui peuvent être groupés de façon compacte en un dispositif semi-conducteur à circuit intégré. Dans un mode de réalisation particulier du comparateur suivant l'invention, on a obtenu un gain global de 125 dB avec une largeur de bande de gain unité de 25 MHz. En comparaison avec les montages à condensateurs de la technique antérieure, cela constitue un gain relativement élevé pour une grande largeur de bande. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation préféré particulier représenté et décrit; elle est susceptible de nombreuses variantes sans qu'on s'écarte pour cela de l'esprit ni du domaine de l'invention. - 9- REVENDICATIONS 1. - Montage comparateur électronique propre à être réalisé sous la forme d'un dispositif semi- conducteur à circuit intégré, ledit montage étant caractérisé en ce qu'il comprend: - un premier amplificateur différentiel (12) propre à être connecté à une source de données d'entrée à comparer; - un étage à source suiveuse (14) connecté audit premier amplificateur différentiel (12) pour séparer sa sortie et lui permettre de présenter une large bande passante; - un second amplificateur différentiel (16) connecté audit étage à source suiveuse (14) pour per- mettre de fortes excursions de signaux tout en appli- - quant un gain supplémentaire à la sortie dudit premier amplificateur différentiel (12); et - un troisième étage de gain en cascode (20) connecté audit second amplificateur différentiel (16) pour assurer un gain plus élevé du montage avec une sortie (118) entre conducteurs d'alimentation (22,24). 2. - Montage comparateur suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens push-pull (18) interconnectant ledit second amplificateur différentiel (16) et ledit troisième étage de gain (20) pour réduire au minimum l'énergie d'alimentation néces- saire pour le troisième étage de gain. 3. - Montage comparateur suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de verrouillage à diodes (50,52) dans ledit premier amplificateur différentiel (12) pour limiter l'excursion de tension à son noeud de sortie (64), en le maintenant ainsi dans la région de fonctionnement à la saturation pendant une plus longue période de temps de sorte qu'il -10- peut reprendre un fonctionnement normal plus rapidement lors de variations relativement grandes des signaux d'entrée. 4. - Montage comparateur suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que tous les transistors élémentaires du montage sont des dispositifs MOSFET (transistors à effet de champ métaloxyde-silicium) branchés entre des conducteurs (22,24) d'alimentation communs. 5. - Comparateur électronique destiné à recevoir, à comparer et à amplifier des signaux rela- tivement faibles dans un flux de données, ledit com- parateur étant caractérisé en ce qu'il comprend: un premier amplificateur différentiel (12> comportant une pluralité de MOSFET incluant un premier MOSFET d'entrée (30), dont la grille est connectée à une source d'en- trée de données-et un autre MOSFET d'entrée (32), dont la grille est mise à la masse, un unique MOSFET (26) de contrôle de courant et une paire de MOSFET de charge (42,44) en série avec lesdits MOSFET d'entrée, ainsi qu'une paire de diodes de verrouillage (50,52) connec- tées à des noeuds entre lesdits dispositifs d'entrée et de charge, noeuds qui comprennent un noeud de sortie; un étage à source suiveuse (14) connecté audit premier amplificateur différentiel (12) pour séparer sa sortie et lui permettre de fonctionner avec une large bande; un second amplificateur différentiel (16) connecté audit étage à source suiveuse (14) pour permettre de fortes excursions de signaux tout en appliquant un gain supplé- mentaire à la sortie dudit premier amplificateur diffé- rentiel (12); et un troisième étage de gain (20) en cascode connecté audit second amplificateur différentiel (16) pour assurer un gain plus élevé du montage avec une sortie entre conducteurs d'alimentation (22,24). -11- 6. - Comparateur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit étage à source suiveuse (14) est constitué par une paire de dispositifs MIOSFET (54, 56; 58, 60) en série, dont l'un (54,58) a sa grille connectée à l'un des noeuds (62,64) du premier amplificateur différentiel (12) et dont l'autre (56,60) a sa grille connectée à une source de tension de polari- sation et à la grille dudit MOSFET (26) de contrôle de courant. 7. Comparateur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit étage de gain en cascode (20) comprend trois dispositifs MOSFET (110,112,114) montés en série, un premier (114) de ces dispositifs limitant l'excursion des signaux et, par conséquent, la capacité de cet étage de gain.