Brevet FR2509065A1 — publié le 19830107

La présente invention concerne un générateur d'im- pulsions de référence ayant une faible consommation. Dans les montres électroniques, comportant un gé- nérateur d'impulsions qui utilise un résonateur à quartz en tant que source de signal de référence, il s'est avéré néces- saire de réduire la consommation dans un oscillateur à quartz et dans un diviseur qui divise les signaux de sortie de l'oscillateur Pour réduire la consommation de l'oscillateur, on a tout d'abord examiné divers systèmes de circuit de l'oscillateur Cependant, tout l'examen précité portant sur les systèmes de circuit et les paramètres de conception a eu pour but de réduire le courant continu, qui est pratiquement indépendant de l'oscillation Secondement, dans le diviseur, les actions effectuées jusqu'à présent ont consisté à minia- turiser la structure MOS et à examiner les systèmes de cir- cuit, tels que ceux utilisant la division dynamique Les sys- tèmes classiques considérés ci-dessus ont été examiné en fai- sant l'hypothèse que la tension de la pile employée est uti- lisée sans changement dans le générateur d'impulsions de référence, comme par exemple dans le cas d'une montre élec- tronique Pour réduire la consommation, on réduit la tension d'attaque, conformément à la formule ( 1): I = f LV ( 1) dans laquelle I désigne la consommation, f désigne la fréquen- ce de fonctionnement, C désigne la capacité de charge et V désigne la tension d'attaque. On utilise de façon classique une tension V', qui est inférieure à la tension d'attaque V, pour une partie d'oscillation et une partie de division du générateur d'im- pulsions de référence, afin de réduire la tension d'attaque V. La figure 1 représente une structure de circuit classique comprenant une source d'énergie 1, un générateur de tension de référence 2 connecté à des bornes 6 et 7 de la source d'énergie 1, un oscillateur à quartz 3 connecté à une borne de génération de tension 9 du circuit de tension de référence 2 et à une borne 6 de la source d'énergie 1, un diviseur 4 et un circuit de discrimination 5 destiné à déterminer le démarrage de l'oscillation de l'oscillateur, sous l'effet d'un signal de sortie 11 du diviseur 4. La figure 2 représente un exemple d'un oscillateur à quartz dans lequel on a de façon générale la relation sui- vante entre la tension Vdem nécessaire pour faire démarrer l'oscillation et la tension Vst P nécessaire pour maintenir l'oscillation: H Vdem> Vstop ( 2) Ainsi, dans le procédé classique pour réduire la consommation par la commande de la tension, on produit une tension Ve 2 supérieure à Vdem et une tension VDî comprise entre Vd et V, pour attaquer le générateur d'impulsions de référence avec une tension optimale pendant une longue durée La tension VD 2 est appliquée pour faire démarrer - l'oscillation de l'oscillateur, puis la tension VD, est ap- pliquée lorsque l'oscillateur arrive dans un état d'oscilla- tion normal, pour attaquer le générateur d'impulsions de iéférence. Le circuit de discrimination 5, qui détermine si l'oscillateur oscille normalement ou s'arrête, est nécessaire pour faire passer la tension de VDI à VD 2 et inversement Du fait que les changements d'état de l'oscillateur passent par plusieurs phases depuis l'état d'arrêt jusqu'à l'état de l'oscillation normale,et du fait qu'il n'est pas possible de discriminer aisément entre la phase intermédiaire-de la condition de fonctionnement et la condition de fonctionnement produite par un bruit externe, il est extremement difficile de faire fonctionner le circuit de discrimination 5 avec précision. Lorsque le circuit de discrimination détermine que le signal de sortie 11 du diviseur 4 qui est produit par du bruit est un signal normal, le signal de sortie du discriminateur 5 commande le générateur de tension de référence 2 et il rein- place la tension VD 2, nécessaire à l'oscillation, par la tension V Dl, qui ne fait pas démarrer l'oscillation mais est suffisante pour la maintenir Il en résulte que la tension est réduite bien que l'oscillateur n'oscille pas normalement, et il est impossible de faire démarrer l'oscillation Ainsi, une discrimination précise effectuée par le circuit de dis- crimination est une condition absolue dans le cas de la com- mande en boucle fermée, mais ce procédé est extrêmement dan- gereux lorsqu'il est appliqué au générateur d'impulsions de référence, du fait que la probabilité d'erreur de discrimi- nation du circuit de discrimination est élevée. L'invention a donc pour but de réaliser un généra- teur d'impulsions de référence ayant une faible consomma- tion. L'invention a également pour but de réaliser un système d'alimentation en tension ne comportant pas de cir- cuit de discrimination. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente la structure du générateur d'impulsions de référence qui utilise le système de commande de tension classique, La figure 2 est un schéma montrant un mode de réa- lisation des oscillateurs à quartz 3 et 22, La figure 3 montre la structure du générateur d'im- pulsions de référence conforme à l'invention, la figure 4 montre la relation entre l'entrée et la sortie de l'oscillateur à quartz du système de la figure 2, et la figure 5 montre la relation entre la tension sourcedrain VDS et le courant de drain ID de l'élément de restriction de courant 21. La figure 3 représente une structure conforme à l'invention Un générateur de tension de référence 20 est connecté aux bornes d'une source d'énergie 29, un courant provenant d'un élément de restriction de courant 21 est restreint par un signal de sortie 27 du générateur de ten- sion de référence 20, l'élément de restriction de courant 21 est connecté à une borne 28 de la source d'énergie 29, un point de connexion 24 des bornes d'un diviseur 23 et d'un oscillateur 22 est connecté à l'autre borne de l'élé- ment de restriction de courant 21, et les autres bornes de l'oscillateur 22 et du diviseur 23 sont connectées à l'autre borne 26 de la source d'énergie 29 L'élément de restriction de courant est constitué par un transistor à effet de champ MOS ou par un élément analogue On va décrire le fonctionne- ment du circuit de la figure 3 en faisant l'hypothèse que l'oscillateur 22 est constitué par un inverseur MOS supplé- mentaire dans lequel un transistor MOS à canal P, 12, est connecté en série avec un transistor MOS à canal N 13, con- formément à la figure 2 La tension VD 2 est la somme de la tension de seuil VTP du transistor MOS à canal P, de la ten- sion de seuil VTN du transistor MOS à canal N, représentées sur la figure 4, et de la tension VO qui provoque la conduc- tion du transistor MOS à canal P 12, et du transistor MOS à canal N 13 Il est nécessaire d'appliquer la tension VD 2 entre la ligne de source d'énergie 26 et les points de con- nexion 24 sur la figure 3 pour faire démarrer une oscilla- tion la tension VD 2 au démarrage de l'oscillation est don- née par la formule ( 3): VD 2 Ä|V Tr P + VTN + VO, ( 3) Après le démarrage de l'oscillation, la relation donnée par la formule ( 3) est remplacée par la relation don- née par la formule ( 4) Si on désigne par VD 1 une tension qui maintient l'oscillation, on a: VD 2 > VD 1 _L 1 V Tp | + VTIV o ( 4) La figure 5 montre la relation entre une tension source-drain VDS d'un transistor à effet de champ MOS et un courant de drain IY, dans le cas o l'élément de restriction de courant 21 sur la figure 3 est constitué par un transis- tor à effet de champ MOS La figure 5 montre ainsi la rela- tion entre la tension source-drain VDS et le courant de drain ID' lorsquela tension de la sortie 27 du générateur de tension de référence 20 sur la figure 3 est VG Il cir- cule un courant de valeur fixe ID si la différence de ten- sion entre la tension VD, appliquée à la borne 26 de la source d'énergie 29 et au point de connexion 24, et la ten- sion de la source VDD, appliquée aux deux bornes 26 et 28 de la source d'énergie sur la figure 3, est supérieure à la tension de saturation source-drain VS du transistor à effet de champ MOS, tandis que le courant ID 2 ' qui diminue avec une diminution de la tension source-drain Vs, circule si la première de ces tensions est inférieure à la seconde. si VD D V D I D (valeur fixe) Si VDD VD v SY ID = ID 2 (valeur variable) Du fait que les diviseurs de fréquence ne fonction- nent pas au démarrage de l'oscillation sur la figure 3, la consommation de courant 'LIV à cet instant est extrêmement faible Par conséquent, l'oscillateur peut utiliser presque la valeur maximale ID 1 du courant traversant l'élément de restriction de courant Si le courant de l'oscillateur au démarrage de l'oscillation est VOSC, on a la relation: )1 Il,,O Dans le cas o la tension nécessaire pour fai- re démarrer l'oscillation est supérieure à la différence en- tre la tension de source VDD représentée sur la figure 5 et la tension de saturation source-drain VS de l'élément de res- triction de courant MOS, la tension VD qui est appliquée à la borne 26 de la source d'énergie et au point de connexion 24 sur la figure 3 devient automatiquement supérieure et elle devient la tension VD 2 nécessaire pour faire démarrer l'oscil- lation Cette fois, le courant qui traverse l'élément de restriction de courant 21 devient inférieur, avec une augmen- tation de VD. Pour faire démarrer l'oscillation, la tension ap- pliquée doit tout d'abord satisfaire la formule ( 3), lors- qu'on utilise le circuit représenté sur la figure 2 Secon- dement, le courant nécessaire pour faire démarrer l'oscilla- tion doit satisfaire la formule ( 4) La tension VD qui est appliquée à l'oscillateur 22 et au diviseur 23 augmente con- formément à la formule ( 6) qui indique le produit définissant la puissance, qui satisfait les formules ( 3) et ( 4), et le courant ID qui traverse l'élément de restriction de courant diminue lorsque le produit définissant la puissance néces- saire pour faire démarrer l'oscillation est égal à K, la po- larisation varie automatiquement jusqu'à ce que la relation: VD)i K ( 6) soit satisfaite. Si la tension nécessaire pour faire démarrer l'os- cillation est inférieure à la différence entre la tension de la source VID et la tension source-drain Vs de l'élément de restriction de courant, le courant de saturation 'Dl de l'élément de restriction de courant se divise pour donner le courant de démarrage d'oscillation POSC et le courant IIDIV traversant le diviseur, et la formule ( 7) est satisfai- te: Dl = I O OSC+ I'DIV ( 7) Comme le montre la formule ( 7), une fois que l'os- cillation normale a démarré, le courant I'DIV nécessaire pour la division augmente et le courant de l'oscillateur I diminue, et ces courants deviennent le courant d'oscil- lateur Iosa nécessaire pour maintenir l'oscillation et le courant IDIV traversant le diviseur pendant l'oscillation normale Du fait que la somme des courants ne change pas, les relations données par les formules ( 8), ( 9) et ( 10) ci- après sont satisfaites: 1 IDV > I'DIV * ( 8)- IOSC 4 'os o ( 9) ki = IOSC + ^IDV = I'Os + It DIV ( 10) Du fait que le courant qui provient de l'élément de restriction de courant 21 se partage entre le diviseur 23 et l'oscillateur 22, le fonctionnement indiqué cidessus utilise effectivement la différence entre les rapports de courant nécessaires au démarrage de l'oscillation et pendant l'oscillation stable, entre le diviseur et l'oscillateur En outre, les tensions appliquées à l'oscillateur et au diviseur peuvent 4 tre modifiées automatiquement et l'oscillateur et le diviseur peuvent être attaqués avec les tensions optimales, du fait qu'il ne s'agit pas d'un système de commande de ten- sion, ce qui fait qu'il est inutile d'employer un circuit pour déterminer si l'oscillation de l'oscillateur démarre ou non, et le circuit fonctionne en boucle ouverte Par consé- quent,le fonctionnement stable est maintenu une fois que la condition de fonctionnement stable est établie Bien que le mode de réalisation considéré ait été représenté en liaison avec l'oscillateur du système à inverseur MOS complémentaire représenté sur la figure 2, il faut noter que le système n'est pas limité à cette configuration Ce système est basé sur le principe selon lequel l'énergie nécessaire pour faire démarrer une oscillation est toujouis supérieure à l'énergie nécessaire pour maintenir l'oscillation Le principe ci-des- sus peut être appliqué à d'autres systèmes. L'invention permet d'obtenir une réduction notable de la consommation, qu'on n'aurait pas pu obtenir avec le système classique consistant à utiliser la source de tension telle qu'elle est, par l'application de l'invention au gé- nérateur d'impulsions de référence à faible consommation dans une montre électronique ou un dispositif analogue La valeur minimale habituelle de la consommation était de 0,3 PA avec le système utilisant un résonateur à quartz à 32 k Hz une pile à l'oxyde d'argent de 1,57 V et une source de tension de 1,5 V, tandis que l'utilisation de l'invention a permis d'obtenir une consommation de 0,15 p A Dans le système de l'invention, le signal de sortie du générateur d'impulsions de référence est le même que dans le système classique dans lequel on applique la tension de la source telle qu'elle est, et la réduction de la consommation n'entratnc aucun inconvé- nient Au contraire, dans le système de commande de tension qui est représenté sur la figure 1, la structure du circuit est compliquée et une erreur de détection peut apparaître aisément, en comparaison avec le système classique dans le- quel la tension de la source est appliquée telle qu'elle est, lorsque le générateur d'impulsions de référence est testé ou attaqué, meme si on obtient la-mcme consommation Li'n- vention permet d'obtenir une réduction notable du courant consommé, sans dégrader les caractéristiques telles que les caractéristiques électriques, l'aptitude au fonctionnement et le taux d'acceptation en fabrication L'invention appor- tera une contribution importante à la prolongation de la durée de vie de la source d'énergie dans les-dispositifs électroniques, dans le futur. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent 9 tre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Générateur d'impulsions de référence, caractéri- sé en ce qu'il comprend un élément de restriction de courant ( 21), un oscillateur à quartz ( 22), un diviseur ( 23) et un générateur de tension de référence ( 20),etence qu'on réduit la consommation en connectant l'élément de restriction de courant en série avec l'oscillateur à quartz et le diviseuro 2 Générateur d'impulsions de référence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diviseur et l'os- cillateur à quartz sont attaqués par l'élément de restric- tion de courant. 3 Générateur d'impulsions de référence selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de restriction de courant est constitué par un transistor à effet de champ MOS.