Brevet FR2476411A1 — publié le 19810821

La présente invention concerne les oscillateurs RC et se rapporte plus particulièrement aux oscillateurs RC réalisés en technique CMOS intégrée L'invention vise notamment à créer un oscillateur qui présente une bonne stabilité en fréquence vis- - vis des variations de tension d'alimentation et vis-àvis des variations de température. Elle vise également à créer un oscillateur du type précité qui consomme peu d'énergie. Elle a donc pour objet un oscillateur RC intégré réalisé en technique MOS complémentaire, comprenant un régulateur de la tension d'alimentation incorporé au cir cuit intégré de l'oscillateur, caractérisé en ce que ledit régulateur comporte des moyens pour engendrer de façon périodique une tension de référence stable à partir de la tension d'alimentation, des moyens pour échantillon ner et stocker cette tension de référence, un comparateur de tension pour comparer ladite tension de référence à la tension reguler et pour appliquer la tension régulée audit oscillateur comme tension déterminant le niveau lo- gique bas de cet oscillateur et un circuit de décalage de niveau destiné à recaler le niveau des impulsions de sortie de l'oscillateur afin de ramener le niveau logique bas de ces impulsions au niveau du potentiel zéro D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexes, donnés uniquement à titre d'exemple - la Fig. i est un schéma synoptique du circuit de lgoscillateur suivant 11 invention; - la Fig.2 est un diagramme montrant les formes des signaux en divers points du circuit de la Fig.1; - la Fig.3 représente un schéma plus détaillé du comparateur du circuit de la Fig.1; et - la Fig.4 est un schéma plus détaillé du circuit de décalage de niveau entrant dans la construction du circuit de la Fig. 1. Le circuit représenté à la Fig. 1 comprend un oscillateur 1 proprement dit, alimenté par l'intermédiaire d'un régulateur de tension 2 incorporé au circuit et un circuit 3 de décalage de niveau connecté à la sortie de l'oscillateur 1. Le régulateur de tension 2 comprend un étage d'entrée constitué par un transistor MOS 4 à canal P dont la grille reçoit un signal ATT, complémentaire d'un signal d'attente engendré par un circuit extérieur non représenté. La source de ce transistor est connectée à une tension VDD tandis que son drain est connecté à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 5 extérieure au circuit intégré et du trajet drain-source d'un second transistor MOS 6 à canal Ii. La grille du transistor 6 reçoit un signal de commande COM. La jonction entre le drain du transistor 4 et la résistance 5 est connectée à l'anode d'une diode Zener 7 dont la cathode est connectée à la tension VDD I1 en résulte que la resistance 5 constitue la résistance de charge de la diode Zener 7. En parallèle sur la diode Zener est connecté un condensateur 8. La jonction du transistor 4 et de la résistance 5 est en outre conncectée par l'intermédiaire d'une porte de transfert 9, formée de deux transistors MOS en parallèle, à l'entrée négative d'un comparateur de tension 10. Une entrée de la porte 9 reçoit un signal de transfert TRANS tandis qu'un condensateur 11 est en outre connecté à l'entrée négative du comparateur 10. A l'entrée positive du comparateur 10 est connecté le drain d'un troisième transistor MOS 12 à canal P dont la source est reliée à la tension VDD et à la grille duquel est appliqué le signal ATT (ce transistor n'est conducteur que pendant la période d'attente, lorsque le signal ATT est au niveau bas). La sortie du comparateur 10 est connectée à la grille d'un quatrième transistor MOS 13 à canal N dont le trajet drainsource est connecté entre l'entrée positive du comparateur 10 et la masse. Le drain du transistor 13 est en outre connecté à l'oscillateur RC 1 qui est constitué par un multivibrateur astable 14, et un circuit RC associé extérieur au circuit intègre formé par une résistance 15 et un condensateur 16. Le multivibrateur astable 14 comporte une entrée de dclenchement qui reçoit le signal ATT. Le multivibrateur 14 peut être réalisé avec un nombre impair de portes MOS inverseuses ou bien il peut comporter une bascule de Schmitt et un nombre pair de portes inverseuses. Les seuils de commutation des portes sont stables aux variations de température. Les circuits MOS connectés en série avec une résistance de charge R présentent une faible résistance de conduction Rc de sorte que l'on ait pour toute variation de température a e. Le nombre de portes utilisé dans le multivibrateur est réduit pour diminuer le retard de propagation entre l'entrée et la sortie qui est modifié par les variations de température. La sortie de l'oscillateur RC 1 constituée par la sortie du multivibrateur 14 est connectée à une entrée du circuit 3 de décalage de niveau. Le circuit 3 comprend une autre entrée connectée au drain du transistor 13 et une sortie qui est la sortie du circuit. Le comparateur de tension 10 de la Fig.l est représenté plus en détail à la Fig.3. I1 comprend un transistor MOS 20 à canal P dont la grille est connectée au transistor 9 du circuit de la Fig.l et reçoit la tension de référence VREF établie par la diode Zener 7 et le condensateur 8. La grille du transistor 20 constitue donc l'en- tree négative du comparateur 10 dont l'entrée positive est constituée par la grille d'un autre transistor MOS 21 à canal P. Les sources des transistors 20 et 21 sont connectées à la tension d'alimentation VDD par l'intermédiaire d'un transistor MOS 22 à canal P dont la grille est connectée à la grille du transistor 20. Le drain du transistor 20 est connecté à la masse par l'intermédiaire du trajet drain-source d'un transistor MOS 23 à canal N tandis que le drain du transistor 21 est connecté à la masse par l'intermédiaire du trajet drain-source d'un transistor MOS 24 à canal N.Les grilles des transistors 23 et 24 sont connectées au point de connexion des transistors 21 et 24. Le point de connexion des transistors 20 et 23 constitue la sortie du comparateur 10. Cette sortie peut etre court-circuitée à lamasse au moyen d'un transistor MOS 25 à canal N dont la grille reçoit le signal d'attente ATT. -On va maintenant décrire le circuit de décalage de niveau en se référant à la Fig. 4. L'entrée de ce circuit qui reçoit le signal de sortie de l'oscillateur est constituée par la grille d'un transistor MOS 30 à canal P dont le trajet source-drain est connecté d'une part directement à la tension d'alimentation VDD et d'autre part à la masse par l'intermédiaire du trajet drain-source d'un transistor MOS 31 à canal N. Les drains des transistors 30 et 31 sont connectés à la grille d'un transistor MOS 32 à canal N dont le trajet drain-source est connecté entre la tension VDD et la masse, en série avec le trajet source-drain d'un transistor MOS 33 à canal P dont la grille est connectée à la sortie d'une porte inverseuse 34 dont l'entrée est connectée à l'entrée du circuit de décalage. Cette porte reçoit en outre la tension-VDD d'une part et la tension régulée d'autre -part. Les drains des transistors 32 et 33 sont connectés à la grille du transistor 31 et constituent la sortie du circuit de décalage de niveau. Le fonctionnement du circuit qui vient d'être décrit va être examiné en se référant au diagramme de la Fig. 2 qui montre cinq signaux A à E qui sont respectivement le signal d'attente ATT, le signal de sortie de multivibrateur 14, le signal de sortie du circuit de décalage de niveau, le signal de commande CON et le signal de transfert TRANS. En dehors de la période d'attente (ATT au niveau haut) et lorsque le signal CON est appliqué au transistor 6, le transistor 4 n'est pas conducteur et le transistor 6 est conducteur. Un courant Iz circule dans la diode Zener 7 et dans sa résistance de charge 5 de sorte qu'une tension Vz apparaît sur la diode Zener 7. A l'apparition du signal TRANS représenté en E à la Fig. 2, sur la porte de transfert 9, une tension de référence VRE = Vz est appliquée à l'entrée négative du comparateur 10 et aux bornes du condensateur 11. La tension de référence utilisez par le régulateur de tension du circuit de la Fig. 1 est échantillonnée par le signal de transfert appliqué à la porte de transfert 9 et conservée dans la condensateur NOS intégré 11, de quelques picofarads. La diode Zener peut ainsi être alimentée seulement lorsque le signal CON appliqué à la grille du transistor 6 est à l'état haut. S l'on réduit la zone des pertes dans les éléments d'emmagasinage, les signal: TRINS et COM peuvent presenter un rapport cyclique tr3s faible. Ainsi l'emploi d'une diode orner consommant de l'énergie n'augmente que légèrement la consommation de l'oscillateur. Au cours de la période d'attente, la diode Zener 7 et le comparateur 10 sont bloques La tension a l'entrée positive du comparateur est ramenee à VDD par le trajet drain-source du transistor 12. La tension V'ss à l'entrée négative du comparateur est ramenée à VDD par la porte de transfert 9 et par le transistor NOS 4 qui sont tous les deux conducteurs ( le signal ATT est au niveau logique bas et le signal TRANS est au niveau haut). Simultanément, la borne positive du comparateur 10 reçoit V'SS et un courant circule à travers l'oscillateur astable et le trajet drain-source du transistor 13, sur le drain duquel apparaît une tension régulée Vss égale à la différence entre la tension d'alimentation VDD et la tension Vz de la diode Zener 7. V' = VDD - V SS DD Z Le multivibrateur as table 14 reçoit la tension VDD et la tension V5,5 du régulateur 10. I1 en résulte que le circuit permet des modifications de la tension d'alimentation principale VDD entre Vmax et Vmin qui est par exemple égale à la tension VZ1 augmentée de 1V environ, sans entrainer une variation appréciable de la fréquence. Cependant, les niveaux de sortie du multivibrateur fluctuent et ne peuvent être directement exploités en logique CMOS. Au cours de la période d'attente, la diode Zener 7 et le comparateur 10 sont bloqués. La tension à l'entrée positive du comparateur est ramenée à VDD par le trajet drain-source du transistor 12. La tension V5,5 à l'entrée négative du comparateur est ramenée à VDD par la porte de transfert 9 et par le transistor MOS 4 qui sont tous deux conducteurs (le signal AIT est au niveau logique bas et le signal TRANS est au niveau haut). Cependant le niveau de sortie du multivibrateur à l'état logique bas (V5,5) fluctue et est trop supérieur au potentiel de la masse pour pouvoir être directement exploité par une logique CMOS alimentée entre VDD et la masse sans induire de consommation statique d'énergie dans les portes de cette logique. Le circuit 3 de décalage de niveau compense les fluctuations du signal de sortiedumultivibrateur et élimine toute consommation statique d'énergie dans les circuits CMOS connectés à sa sortie.et alimentés entre VDD et la masse. En se référant notamment à la Fig. 4, on voit que le signal B de la Fig. 2 appliqué aux entrées du circuit de décalage de niveau est un signal dont le niveau haut est VDD et dont le niveau bas est V5,5. Ce signal est appliqué alternativement aux grilles des transistors 30 et 33 qui conduisent donc alternativement. La conduction du transistor 30 entraîne lapplica- tion de la tension VDD à la grille du transistor 32, ce qui provoque la mise de la sortie du circuit à la masse. Lorsque c'est le transistor 33 qui est rendu conducteur, la tension VDD est appliquée à la sortie du circuit. Simultanément, le transistor 31 est rendu conducteur par application à sa grille de la tension VDD et ainsi la grille du transistor 32 est ramenée à la masse. I1 en résulte que les impulsions de sortie du multivibrateur sont transformées par le circuit de décalage en impulsions représentées en C sur la Fig. 2, dont le niveau haut reste VDD mais dont le niveau bas est le potentiel de la masse, ce qui rend ces signaux exploitables. Les variations de la tension régulée Vss avec la température sont réduites au minimum grâce à l'emploi d'une tension Zener très stable et grâce à des précautions particulières dans la conception des moyens d'emmagasinage de la tension de référence. De cette façon, la régulation de tension interne ne modifie pas beaucoup la stabilité en fréquence bien connue du circuit astable, en fonction de la température. La consommation d'énergie du circuit qui vient d'être décrit est accrue en raison de la présence de la diode Zener 7, du régulateur de tension et du circuit de décalage de niveau. Cependant, on peut constater que la consommation totale d'énergie de ce circuit est à peu près la même que celle du même multivibrateur as table sans diode Zener ni régulateur, fonctionnant à la même fréquence, avec la même capacité de synchronisation et alimenté avec la même tension VDD,l rsqUe VDD REVENDICATIONS 1. Oscillateur RC intégré réalisé en technique MOS compiémentaire, comprenant un régulateur de la tension d'alimentation incorporé au circuit intégré de l'oscillateur, caractérisé en ce que ledit régulateur(2)comporte des moyens (5,6,7,8) pour engendrer de façon périodique une tension de référence stable à partir de la tension d'alimentation (VDD), des moyens (9,11) pour échantillonner et stocker cette tension de référence, un comparateur de tension (10) pour comparer ladite tension de référence à -la tension à réguler et pour appliquer la tension régulée (V'ss) audit oscillateur RC (1) comme tension déterminant le niveau logique bas de cet oscillateur et un circuit de décalage de niveau (3) destiné à décaler le niveau des impulsions de sortie de l'oscillateur (1) afin de ramener le niveau logique bas de ces impulsions au niveau du potentiel zéro. 2. Oscillateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour engendrer ladite tension de référence comportent une diode Zener (7) polarisée en sens inverse connectée en série avec une résistance de charge (5) entre la tension d'alimentation (VDD) et la masse, par l'intermédiaire d'un transistor MOS(6)à canal N à la grille duquel est appliqué un signal périodique de commande, autorisant la diode Zener à produire ladite tension de référence pendant des intervalles de tendus prédStermines. 3. Oscillateur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est constitué par un multivibrateur astable dont le premier étage est réalisé avec des composants MOS à forte résistance de fonctionnement. 4. Oscillateur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens pour échantillonner et stocker la tension de référence sont constitués par une porte de transfert (9) connectée entre le point de connexion de la diode Zener (7) et de sa résistance de charge (5) d'une part et une entrée dudit comparateur (10) d'autre part, dont l'autre entrée reçoit un signal fonction de son signal de sortie.