Brevet FR2462822A1 — publié le 19810213

La présente invention a pour objet un convertisseur analogique-numérique utilisant un dispositif à transfert de charges. Elle trouve une application dans le domaine du trai- tement de signal et plus particulièrement en télécommunica- tions. On connaît un grand nombre de dispositifs aptes à convertir une grandeur analogique (généralement une tension électrique) en un nombre (décimal ou binaire).- On pourra trouver un exposé général sur ce sujet dans le numéro spécial de la revue "IEEE Transactions on Circuits and Systems" publié en Juillet 1978, vol. CAS-25, n'7. Parmi les convertisseurs que l'on connaît, certains font usage de dispositifs à transfert de charges. L'article de W.J. BUTLER, intitulé "Monolithic Charge Transfer A/D Con- verter" publié dans la revue en question aux pages 497-503, décrit par exemple un dispositif qui fonctionne de la manière suivante: un puits de potentiel étalon est rempli par un paquet de charges jusqu'à atteindre une tension de seuil; ce paquet de charges est ensuite vidé d'une quantité propor- tionnelle à la tension à convertir; puis il est -comblé par une suite de N paquets unitaires de charges, jusqu'à obtenir à nouveau la tension de seuil. Le nombre N constitue alors une mesure numérique de la tension appliquée. L'inconvénient de ce dispositif est évident. Aucune nouvelle conversion ne peut être entreprise avant que les N paquets de charges n'aient été injectés dans le puits étalon: la conversion nécessite au moins N coups d'horloge. Un tel convertisseur est donc intrinsèquement lent, comme le sont d'ailleurs tous les convertisseurs basés sur une inté- gration. Or, le problème de la rapidité de la conversion analogique-numérique est l'un des plus importants en télécom- munications, de sorte que ce genre de dispositif ne peut con- venir en pratique, à cette application. La présente invention a justement pour objet un convertisseur analogiquenumérique qui ne présente pas cet 2 2462822 inconvénient car il est très rapide. En outre,il offre une bonne définition et n'exige qu'une faible consommation. Le principe du convertisseur d] l'invention est brièvement le suivant. Le signal analogique à convertir, une tension en général, est appliqué sur la grille d'entrée d'une ligne à transfert de charges. A chaque coup d'horloge de cet- te ligne, une quantité de charges directement proportionnelle à la tension à convertir est stockée sous une première élec- trode. Un moyen de test de dépassement de capacité est prévu pour ne traiter que des tensions inférieures à une valeur limite. Si le signal analogique est déjà sous forme d'une charge électrique, cette conversion est bien entendu omise. Le problème se ramène finalement à npeser le paquet de char- ges obtenu. Pour cela, le dispositif de l'invention comprend N étages de conversion disposés en série, chacun présentant des puits de potentiel de contenance appropriée. Les charges sont introduites dans ces puits et évaluées par rapport à des quantités de référence définissant un système de mesure bi- naire. Les N étages du convertisseur donnent ainsi directe- ment les éléments binaires du nombre recherché (le dernier étage fournissant deux éléments binaires, comme on le verra par la suite, on obtient alors N+l éléments binaires). De façon plus précise, la présente invention a pour objet un convertisseur analogique-numérique pour la conver- sion d'un signal en un nombre binaire, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif à transfert de charges constitué successivement par: a) un dispositif d'entrée comprenant successivement: une diode d'injection de charges, suivie d'une grille de débordement, suivie d'une électrode de stockage de surfa- ce 2 +îA, o A est une surface et N un nombre entier, cette électrode recevant le signal à convertir, et enfin une électrode de transfert, ce dispositif d'entrée étant absent si le signal est déjà sous forme d'une charge électrique; b) un dispositif de test de dépassement de capacité compre- nant successivement: une électrode de stockage, de sur- face (2N+ll)A, une électrode de transfert, une électrode de stockage de surface A et un moyen pour détecter la présence de charges sous cette électrode, ce qui indique un dépassement de capacité; c) une pluralité de N étages de conversion disposés en série, chaque étage comprenant des électrodes définissant des puits de potentiel de contenance appropriée, ces éta- ges étant aptes à effectuer une mesure du paquet de char- ges par rapport à des quantités de références définissant un système de mesure binaire, chaque étage délivrant un signal binaire, et le dernier deux signaux binaires, la suite des N+l signaux obtenus constituant la suite des N+l éléments binaires du nombre recherché, dans un ordre de poids décroissant. Une grande variété de moyens peut être utilisée au niveau de chaque étage pour remplir la fonction de "pesées" binaires. Mais l'invention s'attache plus particulièrement à deux variantes qui semblent présenter des avantages. La pre- mière fait appel à des moyens purement passifs et utilise des électrodes définissant des puits de potentiel dont la conte- nance décroît d'un facteur 2 lorsqu'on passe d'un étage au suivant (dans le sens d'écoulement des charges). La seconde utilise encore des puits, mais également un moyen actif apte à doubler les charges transmises d'un étage au suivant; tous les étages présentent alors des caractéristiques identiques. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des des- sins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une coupe schématique d'un dispositif d'entrée d'une ligne à transfert de charges; - la figure 2 représente une coupe schématique d'un dispositif de test de dépassement de capacité; - la figure 3 représente une coupe schématique d'un étage de conversion conforme à la première variante de l'in- vention; - la figure 4 représente, en vue de dessus, les électrodes d'un convertisseur conforme à cette première va- riante; - la figure 5 représente schématiquement un étage de conversion selon la seconde variante de l'invention. La description qui suit se limitera aux moyens es- sentiels de l'invention et n'exposera pas les éléments cons- titutifs des dispositifs à transfert de charges qui sont lar- gement connus. On indiquera simplement qu'un dispositif à transfert de charges (en terminologie anglo-saxonne "Charge- Transfer-Device") est un circuit à semiconducteur dans lequel un paquet de charges électriques est introduit à une extrémi- té, puis déplacé par le jeu de tensions de commande jusqu'à une autre extrémité o il est recueilli. Un des dispositifs à transfert de charges le plus connu est le dispositif à couplage de charges (en terminolo- gie anglo-saxonne "Charge-Coupled-Device", ou, en abrégé C.C.D.). Un tel dispositif comprend un substrat semiconduc- teur dopé _p ou n) recouvert d'une couche mince isolante (d'épaisseur de l'ordre de 0,1 micron), elle-même recouverte par des électrodes conductrices disposées régulièrement. Les charges stockées et déplacées sont constituées par des por- teurs minoritaires retenus dans des puits de potentiel créés sous certaines des électrodes qui sont, à cette fin, portées à des potentiels convenables. Pour transférer ces charges d'une électrode à la suivante, on déplace le puits de poten- tiel correspondant en modifiant les tensions appliquées sur les électrodes. Le sens du déplacement peut être fixé par tout moyen approprié: électrode supplémentaire, zones dopées dans le substrat, charges fixes, épaisseurs d'oxyde différen- tes, etc... de telle sorte que les puits de potentiel présen- tent une allure dissymétrique et que le transfert s'effectue de manière unidirectionnelle. Pour plus de détails sur ces dispositifs, on pourra se reporter à l'ouvrage de Carlo H. SEQUIN et Michael P. TOMPSETT, intitulé "Charge transfer devices" publié en 1975 par "Academic Press, Inc". Le convertisseur de l'invention utilise de tels dispositifs à transfert de charges. Dans l'une ou l'autre de ses deux variantes, ce dispositif comprend d'abord un dispo- sitif d'entrée et ensuite un dispositif de test de dépasse- ment de capacité. Ces deux moyens vont d'abord être décrits en référence aux figures 1 et 2. Le dispositif d'entrée représenté sur la figure 1 comprend un substrat semiconducteur 10, une couche de maté- riau isolant 12, une diode D commandée par une tension Vd, une grille de débordement Cg, commandée par une tension V, une électrode de stockage CE de surface 2N+1A commandée par la tension VE à convertir et enfin une électrode de transfert C. commandée par une tension Vi. L'électrode CE définit un i E puits de potentiel PE (indiqué en tirets) dont le contenu est proportionnel à (VE -VG)2N+ A. Un tel dispositif, est connu en soi. Pour plus de détails à son sujet, on pourra se reporter à l'article de M.F. TOMPSETT intitulé "Surface équilibration method of set- ting charges in CCD" publié dans la revue IEEE Transactions on Electron Devices" ED. 22, p. 305-309, juin 1975 et à l'ar- ticle de C.H. SEQUIN et al intitulé "Linearity of electrical charge injection into CCD" publié dans la revue "IEEE Journal of Solid State Circuits" SC-10, p. 81-92, Avril 1975. Natu- rellement, d'autres dispositifs d'injection (linéaire ou non) pourraient être adoptés en fonction des applications visées. Le dispositif d'entrée de la figure 1 est suivi d'un dispositif de test de dépassement de la capacité du con- vertisseur, qui est illustré schématiquement sur la figure 2. Ce dispositif comprend une électrode de stockage CN+1, de surface (2 N±l)A, commandée par une tension 01, une électro- de CTD de transfert de débordement, commandée par une tension 01D' une électrode de stockage CD, de surface A, commandée par une tension 0D et enfin une diode de sortie Ds. L'électrode CD définit un puits de potentiel PD de contenance proportionnelle à (0D - 0'D)A, qui sera prise com- me unité et notée _ par la suite. Avec cette notation, l'électrode de stockage CN+1 commandée par une tension 01 de même valeur que 0D' définit un puits Pn+l de contenance égale à N2+1l)q n+l a(2N+l-1)q. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Deux cas peuvent se présenter selon la valeur de la quantité de charges Q qui était retenue sous l'électrode de stockage CE du dispositif d'entrée: - si Q est supérieur à (2N+l)q, le puits Pn+l situé sous CN+1 est rempli et le puits PD situé sous C contient une charge élémentaire q; l'excès par rapport à 2 q s'écoule par la diode Ds; - si Q est inférieur ou égal à (2N+l-1)q, le puits de débordement PD est vide. La lecture du contenu de ce puits permet donc im- médiatement de savoir si la tension VE à convertir dépasse ou non la capacité du convertisseur, celle-ci étant, dans l'exemple pris, proportionnelle à 2N+lq. Lorsque cette capacité n'est pas dépassée, la char- ge Q contenue dans le puits de stockage peut subir une suite de N tests de caractère binaire dans les N étages convertis- seurs dont on va décrire maintenant la structure et le fonc- tionnement. Dans la première variante, tout d'abord, l'étage de rang n comprend schématiquement, comme illustré sur la figure 3: - une électrode de stockage Cn+1 de surface (2n+l-1)A commandée par une tension 01; cette électrode détermine un puits Pn+l de contenance (2n-+l-l)q; - une électrode de stockage C, de surface (2n-l)A, commandée par une tension 02; cette électrode détermine un puits Pn de contenance (2n-l)q; n - une électrode de transfert CT, de surface A, dé- finissant un puits PT de contenance élémentaire q, T 2 - enfin, une électrode de stockage C de surface (2n-l)A; commandée par une tension 03; cette électrode défi- nit un puits de contenance (2n-l)q. Le dispositif représenté comprend en outre trois électrodes de transfert, commandées par des tensions 01', 0'2 et 0'3 et disposées entre les quatre électrodes principales. Chaque étage comprend d'autres moyens annexes qui ne sont pas représentés sur la figure 3 qui se limite aux éléments essentiels mais qui apparaîtront sur la figure 4. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Le puits Pn+l contient une charge Q qui provient de l'étage précédent (de rang n+l). Cette charge est nécessairement in- férieure ou égale à (2n+î-1)q. Deux cas se présentent alors: 1) Si Q 2 q, le puits Pn contient (2 -l)q charges, PT contient une charge q et P2 une charge Q - 2nq_ 1 n 1n En conséquence, le puits PT contient le quotient de la division par 2 du nombre initial de charges, le reste de cette division étant contenu soit dans Pn (P2 est alors vi- de), soit dans Pn (PT est plein). C'est ce reste qui est transféré vers l'étage suivant. Dans le premier cas, le puits P2 ne contient aucune charge; par conséquent, un transfert n systématique peut être effectué entre ce puits et l'étage suivant. Le transfert à partir de P 1 doit présenter, en re- n vanche, un caractère conditionnel lié à la valeur du signal de lecture du contenu du puits P. Un tel transfert condi- tionnel est obtenu, par exemple, par une électrode de trans- fert A propos des transferts conditionnels dans ce genre de dispositif, on pourra se reporter à l'article de R.J. HANDY intitulé "Use of CCD in the development of digital lo- gic" publié dans la revue "IEEE Transactions on Electron De- vices" ED 24, NO 8, Août 1977, p. 1049-1061. Finalement, le signal de lecture du contenu de P1 qui est égal à "1" ou "n0, correspond à l'élément binaire de poids n du nombre recherché. Ce signal peut être transféré et mémorisé par un moyen quelconque, à des fins d'affichage ou de traitement. La charge transférée vers l'étage suivant de rang n-i, subit ensuite le même traitement que celui qui vient d'être décrit, à savoir une division par 2, ce qui donne un nouvel élément binaire de poids n-l. De proche en proche, les éléments binaires du nombre recherché sont obtenus dans un ordre de poids décroissant. Comme le dernier étage donne un quotient et un reste, il fournit deux éléments binaires, ce qui porte à N+l le nombre de ces éléments obtenus. La figure 4 illustre un exemple de réalisation d'un convertisseur- selon cette première variante. Le dispositif comprend un circuit d'entrée 20, un moyen 22 de test de dé- passement de capacité, suivi d'un premier étage convertisseur de rang N, l'étage suivant, de rang N-1, n'étant qu'amorcé. Les notations 'employées sur cette figure sont les mêmes que celles des figures précédentes, l'indice n étant, en l'occurrence, pour l'étage représenté, égal à N. Sur cette figure, les électrodes de stockage sont représentées symboli- quement par un rectangle barré de deux diagonales et les électrodes de transfert par un-rectangle non barré. Les ten- sions de commande des électrodes sont désignées par la lettre 0 indicée, ces tensions provenant de lignes de commande re- liées à des horloges non représentées. En plus des éléments déjà évoqués à propos des fi- gures précédentes, la figure 4 montre: - l'électrode de&transfert conditionnel CT dispo- 1T sée entre l'électrode CN et l'étage de rang N-1, cette élec- trode étant reliée à un transistor MOS 25 commandé par une tension 0T' - une électrode 26 de mémorisation du nombre binai- re obtenu; cette électrode est commandée par un signal d'hor- loge 04 et reliée à l'électrode C 1 par une électrode 28 commandée par une tension 04 - une diode de sortie D' permettant de vider le contenu du puits défini par l'électrode de stockage C1 lors- que son contenu est égal à (2N-l)q, - l'électrode CN relative à l'étage suivant de rang N-i. 9 2462822 La figure 5 illustre la seconde variante de l'in- vention. Sur-cette figure, seul un étage de conversion est représenté, puisque les moyens d'entrée et de test de dépas- sement de capacité sont les mêmes que sur les figures 1 et 2. Dans cette seconde variante, tous les étages sont identiques et comprennent: - une électrode CN de surface (2 N)A associée à une diode d'entrée De, - une électrode C de surface (2N)A, N - une électrode de transfert C1 de surface très faible eA, - une électrode C N de surface (2 -e)A, - une électrode de transfert CT de surface très faible, reliée à l'électrode CT par un moyen de commande 30, - une diode de sortie D5 délivrant un signal binai- re Sn, - un amplificateur opérationnel 32 à une entrée po- sitive reliée à l'électrode C et une entrée négative reliée N à l'électrode CN de l'étage suivant, et à une sortie reliée à la diode d'entrée De de ladite électrode CN de l'étage sui- vant. Le principe de fonctionnement de ce dispositif re- pose sur une comparaison du paquet de charges à la quantité à N - 2 q, à E près. Soit xq la quantité de charges introduite sous l'électrode CN. Deux cas peuvent se présenter: 1) x est inférieur à 2N: la quantité de charges xq se retrouve intégralement sous l'électrode dl; NN 2) x est supérieur à 2: on trouve sous l'élec- trode C1 la quantité de charges 2Nq et sous l'électrode sui- vante C2, le complément (x - 2N _ c)q. L'électrode de trans- fert C2 est commandée par le moyen 30 et les 2q charges sont extraites du dispositif par la diode Ds. Celle-ci est asso- ciée à un moyen permettant d'engendrer un signal logique Sn égal à "1". Dans le premier cas, cette diode ne véhiculait aucune charge et le signal logique Sn était égal à "0". La charge transférée vers l'étage suivant est, dans le premier cas, la charge stockée sous CNi soit xq, et dans le deuxième cas, la charge stockée sous l'électrode de transfert ajoutée à celle retenue sous l'électrode C2, soit au total C N N'ota oa (x-2)q. Le rôle de l'amplificateur opérationnel 32 est de doubler les charges provenant de l'étage de conversion. En effet, la surface de l'électrode CN de l'étage suivant de rang (n-l) est le double de la surface de l'électrode C N de l'étage de rang n de sorte que, lorsque les potentiels de ces deux électrodes sont égaux, la charge stockée sous CN est le double de celle qui était stockée sous C 2 L'électrode C de N' N l'étage de rang (n-l) reçoit donc une quantité de charges égale soit à 2xq, soit à 2(x-2 N)q. Le processus de comparai- son se déroule alors dans cet étage de rang (n-l) de la même manière et avec les mêmes moyens que dans l'étage de rang n. La place de l'amplificateur 32 peut être quelcon- que, mais ce circuit est de préférence intégré au dispositif à transfert de charges. Naturellement, l'invention ne se li- mite pas, dans sa seconde variante, à l'emploi d'un amplifi- cateur opérationnel, mais s'étend, au contraire, à tout dis- positif susceptible de remplir cette fonction. il REVENDICATIONS 1. Convertisseur analogique-numérique pour la con- version d'un signal en un nombre binaire, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif à transfert de charges constitué successivement par a) un dispositif d'entrée comprenant successivement: une diode d'injection de charges, suivie d'une grille de dé- bordement, suivie d'une électrode de stockage de surface 2N+1A, o A est une surface et N un nombre entier, cette électrode recevant la tension à convertir, et enfin une électrode de transfert, ce dispositif d'entrée étant ab- sent si le signal es.t déjà sous forme d'une charge élec- trique; b) un dispositif de test de dépassement de capacité compre- nant successivement g une électrode de stockage, de sur- face (2N+1-1)A, une électrode de transfert et une élec- trode de stockage de surface A et un moyen pour détecter la présence de charges sous cette électrode, ce qui indi- que un dépassement de capacité; c) une pluralité de N étages de conversion disposés en sé- rie, chaque étage comprenant des électrodes définissant des puits de potentiel de contenance appropriée, ces éta- ges étant aptes à effectuer une mesure du paquet de char- ges par rapport à des quantités de référence définissant un système de mesure binaire, chaque étage délivrant un signal binaire, et le dernier deux signaux binaires, la suite des N+l signaux obtenus constituant la suite des N+l éléments binaires du nombre recherché, dans un ordre de poids décroissant. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étages étant repérés par un rang n allant de 1 à N, un étage de rang n est constitué par: - une électrode de stockage Cn+î de surface (2(n l)_l)A sous laquelle sont injectées les charges provenant de l'étage précédent, 12 2462822 - une électrode de stockage Cn de surface (2n-l)A, - une électrode CT de surface A, reliée à la précédente par une électrode de transfert, - une électrode C2 de surface (2n-l)A reliée à l'élec- trode C1 par une électrode de transfert, - un moyen de détection des charges situées sous l'élec- trode C1, ce moyen délivrant un signal Sn égal à 0 ou 1 T'n selon que ces charges sont absentes ou présentes, - une électrode CT reliée à C par une électrode de T n transfert, cette électrode étant commandée par la tension de l'électrode Cl et reliée à l'étage suivant par une T électrode de transfert, - une électrode de transfert systématique disposée entre l'électrode C2 et l'étage suivant. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que tous les étages sont identiques et constitués, d'amont en aval, par rapport au sens de transfert des char- ges, par - une électrode de stockage CN, de surface 2 NA et pré- cédée d'une diode d'entrée De constituant l'entrée de l'étage, - une électrode de stockage CN de surface 2NA, bordée N T côté aval par une électrode de débordement C 1 de surface EA très faible et, en parallèle, une électrode de trans- fert conditionnel C2 de surface très faible, T 2 N - une électrode de stockage CN de surface (2 -ú)A, cette N 1 électrode étant séparée de l'électrode CN par l'électrode T Cl' - une diode D séparée de l'électrode C1 par l'électrode CT, cette diode délivrant un signal Sn égal à 1 ou à 0 selon que des charges y transitent ou non, - un circuit amplificateur à deux entrées, l'une positi- ve, l'autre négative, la première reliée à l'électrode CN' la seconde reliée à l'électrode CN de l'étage suivant et à une sortie reliée à la diode d'entrée De de l'étage suivant.