Brevet FR2502864A1 — publié le 19821001

CIRCUIT INTEGRE POUR OSCILLATEUR A FREQUENCE REGLABLE La présente invention concerne les circuits oscillateurs com- prenant un résonateur tel qu'un cristal de quartz dont chacune des bornes est reliée a un pôle d'une source d'alimentation électrique via un condensateur respectif. Au moins un élément actif branché convenablement entre les bornes du résonateur assure l'entretien des oscillations de ce dernier. La présente invention concerne, plus particulièrement, un circuit intégré destiné à l'établissement et l'entretien des oscillations d'un résonateur. Ce circuit intégré comprend les deux condensateurs et l'élément actif amplificateur mentionnés ci-des- sus. Ce circuit intégré est muni d'une première paire de bornes pour le branchement de la source d'alimentation électrique. Afin de pouvoir régler à volonté la fréquence d'oscillation du circuit oscillateur, on a déjà proposé de supprimer les conden- sateurs incorporés dans le circuit intégré, et d'utiliser à leur place des condensateurs à capacité réglable réalisés en composants discrets qui sont connectés à des bornes convenables du circuit intégré. Sur la figure 1 annexée, on a représenté une application de cette solution connue à un oscillateur du type de celui qui est décrit dans le brevet suisse no 580358. Le circuit représenté sur la figure 1 se compose d'un circuit intégré 1 réalisé en technologie CMOS, d'un résonateur à quartz 2, d'une source d'alimentation électrique 3, et de deux circuits 4a, 4b réalisés en composants discrets et comprenant chacun un conden- sateur 5a, 5b du type à capacité variable en fonction de la ten- sion qui lui est appliquée. Le circuit intégré 1 comporte une paire de bornes 6,7 pour le branchement de la source d'alimentation 3, ainsi qu'une deuxième et une troisième paire de bornes 8a, 8b et 9a, 9b pour le branche- ment des circuits respectivement 4a et 4b. Le circuit intégré 1 comporte un transistor MOS 10, par exemple à canal n, qui est polarisé par une résistance Il branchée entre la grille 10a et le drain 10b de ce transistor 10 dont la source est désignée par 10c. Le courant circulant sur le trajet de courant commandé, ou trajet drainsource, du transistor 10 est déterminé par une source de courant 12 qui est branchée en série avec ledit trajet drain-source, entre les bornes d'alimentation 6 et 7 du circuit intégré 1. La source 12 est du type fournissant un courant réglable en fonction d'un signal de commande appliqué sur son entrée de commande 12a. Ce signal de commande est fourni par un circuit régulateur 13 recevant le signal d'oscillation présent sur la grille 10a du transistor 10. Ce signal de commande est une fonction convenable de l'amplitude dudit signal d'oscillation, de telle sorte que le circuit 13 et la source de courant 12 consti- tuent une boucle de régulation limitant l'amplitude dudit signal d'oscillation A une valeur faible. Chacun des condensateurs 5a, 5b est branché entre, d'une part, la borne 8b respectivement 9b et, d'autre part, via un condensateur de découplage 16a, 16b, la borne 8a respectivement 9a du circuit intégré 1. Les bornes 8b et 9b sont reliées à l'une 7 des bornes d'alimentation. Une résistance d'adaptation respective- ment 15a et 15b est interposée entre la borne de commande respec- tivement 14a et 14b, et l'armature 50a respectivement 50b opposée à la borne d'alimentation 7, du condensateur 5a respectivement 5b. Chaque armature 50a, 50b est également connectée à une borne respectivement 2a et 2b pour le branchement du quartz 2. Enfin, le condensateur de découplage respectivement 16a et 16b est interposé entre la borne 8a respectivement 9a et le point commun A respecti- vement B entre la résistance 15a respectivement 15b et le conden- sateur 5a respectivement 5b. Il est ainsi possible de régler la valeur de la capacité de chacun des condensateurs 5a et 5b, par l'application d'une tension de commande convenable Ua et Ub entre la borne 7 et une borne de commande respectivement 14a et 14b des circuits respectivement 4a et 4b. La demanderesse a constaté que le circuit représenté sur la figure 1 ne donne généralement pas satisfaction en raison de l'é- troitesse de la plage des valeurs de fréquence auxquelles cet oscillateur peut être réglé, ainsi qu'en raison d'une consommation de courant relativement élevée. L'inconvénient mentionné ci-dessus en premier est principalement dû aux capacités parasites représen- tées sur la figure 1 sous les références Cla,C2a,C3a respective- -3- ment Clb,C2b,C3b, capacités parasites susceptibles de court-cir- cuiter, en régime haute fréquence, le condensateur 5a respective- ment 5b. Il a été constaté que, essentiellement les capacités parasites Cla et C2a -respectivement Clb et C2b présentent des valeurs relativement élevées; ceci est dé au fait que les circuits 4a et 4b sont réalisés en composants discrets. C'est pourquoi, l'un des buts de la présente invention est de proposer un nouveau circuit intégré pour l'établissement et l'en- tretien des oscillations d'un résonateur, ce circuit intégré devant permettre un réglage de la fréquence d'oscillation du résonateur dans un domaine de valeurs suffisamment large, par exemple avec un tirage.Af/f de l'ordre de i 200 ppm, ceci à des fréquences élevées, notamment de l'ordre de quelques MHz à 20 MHz, par exemple 16 MHz qui est une fréquence typiquement utilisée en télécommunication. Selon l'invention, les condensateurs à capacité variable en composant discret sont remplacés par des condensateurs à capacité variable intégrés dans la pastille formant le circuit d'entretien du résonateur. L'armature opposée à la source d'alimentation électrique, de chacun de ces condensateurs intégrés est reliée à une borne de commande respective du circuit intégré. Ces bornes de commande sont destinées à recevoir des signaux de tension permet- tant de fixer la capacité des condensateurs du circuit, et donc de régler la fréquence d'oscillation du circuit oscillateur formé par le branchement du résonateur et de la source d'alimentation élec- trique sur des bornes correspondantes du circuit intégré. Il est nécessaire d'interposer un condensateur de découplage entre l'armature opposée à la source d'alimentation de chacun des condensateurs à capacité variable intégrés, et l'électrode de l'élément actif à laquelle cette armature doit être reliée. Ces condensateurs de découplage sont avantageusement intégrés dans la pastille formant le circuit d'entretien du résonateur. Selon un mode de réalisation actuellement préféré de l'inven- tion, le circuit d'entretien intégré est réalisé en technologie MOS. Chacun des condensateurs à capacité variable est constitué par une jonction n+ -p située à l'interface d'une première zone à type de conduction n+ et d'une seconde zone à type de conduction 4- p, zones réalisées dans un substrat semi-conducteur de type n. La seconde zone, de type p, est reliée à la borne destinée à être connectée au pôle négatif de la source d'alimentation électrique. Les première et seconde zones débouchent à la surface de la pas- tille de semi-conducteur. Le condensateur de découplage est cons- titué avec le condensateur à capacité variable auquel il est associé, par la formation d'un empilement constitué par la partie de couche d'oxyde isolante recouvrant la partie de surface de la pastille par o débouche ladite première zone de conductivité n+, cette partie de couche isolante étant recouverte par une couche électro-conductrice. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs modes de réalisation, description faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1, déjà décrite, représente un schéma électrique d'un oscillateur utilisant des condensateurs à capacité variable en composants discrets; - la figure 2 est un schéma électrique d'un circuit intégré d'établissement et d'entretien des oscillations d'un résonateur, selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une coupe transversale à travers une pastille de circuit intégré réalisant un condensateur variable associé à un condensateur de découplage, selon un premier mode de réalisation; - la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3, mon- trant un second mode de réalisation de ladite association de condensateurs; et - la figure 5 est une coupe transversale à travers une partie de circuit intégré formant une résistance utilisée dans le circuit de la figure 2. Sur la figure 2, les éléments identiques ou analogues à ceux de la figure 1 portent les mêmes références. Ainsi, la figure 2 représente une pastille de circuit intégré 100 qui comporte, comme la pastille 1 représentée sur la figure 1, une paire de bornes de sortie 6,7 pour le branchement d'une source d'alimentation élec- trique 3, ainsi que des éléments de circuit 10 à 13 dont le fonc- tionnement est analogue à celui des éléments portant la même référence décrits en relation avec la figure 1. Le circuit intégré 100 comporte, en outre, deux condensateurs à capacité variable 101a, 101b branchés chacun entre la borne d'alimentation 7 et l'une 130a respectivement 130b de deux bornes de sortie du circuit 100, pour le branchement du résonateur à quartz 2. L'armature 102a respectivement 102b des condensateurs 101a respectivement 101b, armature située à l'opposé de la borne d'alimentation 7, est reliée à une borne de sortie 103a respecti- vement 103b du circuit intégré 100, via une résistance 104a res- pectivement 104b également intégrée dans le circuit 100. Un condensateur de découplage 105a respectivement 105b est interposé entre, d'une part, le point de jonction 106a respective- ment 106b entre la résistance 104a et le condensateur 101a respec- tivement la résistance 104b et le condensateur 101b, et, d'autre part, la grille 10a du transistor 10 respectivement le drain 10b de ce transistor 10. Pour faciliter la comparaison entre les figures 1 et 2, on a désigné sur la figure 2 par Cla et Clb la capacité parasite pré- sente entre les bornes du condensateur 101a respectivement 101b, et par C4a et C4b la capacité parasite existant entre le conduc- teur commun 7a relié à la borne d'alimentation 7, et l'armature adjacente au transistor 10 du condensateur de découplage 105a respectivement 105b. Il va de soi que les capacités parasites C4a et C4b sont chacune équivalente au montage formé des capacités parasites C2a et C3a respectivement C2b et C3b branchées en paral- lèle. La demanderesse a constaté que le remplacement des condensa- teurs 5a et 5b de la figure 1 par les condensateurs 101a et 101b intégrés dans le circuit d'entretien 100, permettait de tirer le maximum de profit de l'étendue de la plage de variation de la capacité de ces condensateurs 101a, 101b et d'obtenir un tira- geàf/f de l'ordre de + 100 ppm pouvant aller jusqu'à:250 ppm à des fréquences comprises entre 10 et 20 MHz. Ce résultat surpre- nant peut être expliqué en partie par le fait que les capacités parasites Cla et C4a respectivement Clb et C4b sont considéra- blement diminuées grâce à l'intégration des condensateurs 101a et 101b dans le circuit 100. -6 De plus, l'intégration des condensateurs à capacité variable permet de réduire notablement l'encombrement du circuit oscilla- teur complet ainsi que la consommation de courant électrique de ce circuit. On décrit maintenant en référence aux figures 3 et 4, deux modes de réalisation en technologie MOS d'un condensateur variable tel que le condensateur 10la ou 101b, associé à un condensateur de découplage tel que le condensateur 105a respectivement 105b, le mode de réalisation de la figure 3 étant directement applicable au circuit 100 de la figure 2. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 3, chaque condensateur 10la respectivement 101b du circuit de la figure 2 est constitué par une jonction n+ -p obtenue à l'inter- face Il entre une diffusion 107 de type n+ et un caisson 108 de type p, réalisés dans un substrat de type n, 131 d'une pastille en silicium semiconducteur. Une couche de silice 109 recouvre la surface supérieure de la pastille. Le condensateur de découplage 105a respectivement 105b asso- cié au condensateur à capacité variable 10la respectivement 101b, est formé par la partie de couche de silice 109a recouvrant la zone de surface 110 par laquelle débouche la diffusion 107. Une couche électroconductrice 111, par exemple une couche d'aluminium ou une couche de silicium polycristallin fortement dopé, constitue une armature du condensateur de découplage 105a respectivement 105b, dont l'autre armature est constituée par la diffusion n+, 107 elle-même. La borne d'alimentation 7 peut être constituée par une couche électroconductrice 112 recouvrant une fenêtre 113 ménagée dans la couche de silice 109 au droit d'une diffusion de type p+, 132 réalisée dans le caisson 108. L'autre borne d'alimentation 6 peut être constituée par le dépôt d'une couche conductrice 114 recou- vrant une fenêtre 115 ménagée dans la couche de silice 109 au droit d'une diffusion de type n+, 133 réalisée dans le substrat de type n, 131 de la pastille semi-conductrice formant le circuit intégré 100. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 4, un condensateur à capacité variable est réalisé par une jonction n - p établie à l'interface I2 entre une diffusion de type p +, 116 et un substrat semi-conducteur de type n, 134. Le condensateur de découplage associé au condensateur I2 est réalisé, comme dans le cas de la figure 3, par la partie de couche isolante 109b recou- vrant la zone de surface 117 par laquelle débouche la diffusion 116. Une couche électro-conductrice 118 recouvrant ladite partie 109b constitue une armature du condensateur de découplage dont l'autre armature est consituée par la -diffusion p+, 116 elle-même. Une borne d'alimentation reliée directement à une armature du condensateur (I2) peut être constituée par une couche conductrice 119 recouvrant une fenêtre 120 ménagée dans la couche de silice 109 au droit d'une diffusion de type n+, 121 qui est réalisée dans le substrat de type n, 134. Cependant, pour que la jonction n- p+ entre les zones 134 et 116 soit polarisée correctement, il est nécessaire de relier la borne d'alimentation 119 au pôle positif de la source d'alimentation électrique 3 contrairement à ce qui est représenté sur la figure 2. Ainsi, dans le cas o l'on réalise les condensateurs à capa- cité variable 101a, 101b conformément au mode de réalisation de la figure 3, il faudrait modifier légèrement le schéma du circuit 100 de la figure 2 en branchant le condensateur 10la entre la borne 6 et le point de jonction 106a et, le condensateur 101b, entre la borne 6 et le point de jonction 106b. Dans le cas de la figure 3 comme dans celui de la figure 4, la couche conductrice 111 respectivement 118 formant une armature du condensateur de découplage, s'étend de préférence sur presque la totalité de l'étendue de la jonction Il respectivement I2. On a constaté en effet que cette caractéristique permet de réduire au minimum la valeur de la capacité parasite apparaissant aux bornes du condensateur à capacité variable Il respectivement I2. Il est cependant utile de laisser libre une petite portion marginale de la partie de couche isolante 109a respectivement 109b afin d'y ménager une fenêtre 122 recouverte par une couche élec- tro-conductrice 123 réalisant une prise de contact du point de jonction, tel que le point 106a ou 106b -du circuit 100, entre le condensateur de découplage et le condensateur à capacité variable (figures 3 et 4). -a- La figure 5 montre un exemple de réalisation d'une résistance intégrée dont une des bornes est reliée au point de jonction entre les condensateurs (Il) et (107, 109a, 111) respectivement (I2) et (116, 109b, 118). Selon cet exemple de réalisation, la couche électro-conduc- trice 123 se prolonge jusqu'au droit d'une autre fenêtre 124 ménagée dans la couche de silice 109 au droit d'une diffusion p+, située à une extrémité d'un caisson de type p, 126 réalisé dans dans le substrat de type n, 131 ou 134. Ce caisson constitue la résistance telle que celle qui est référencée 104a ou 104b sur la figure 2. L'une des bornes de cette résistance est la couche 123 qui recouvre la fenêtre 124; l'autre borne de cette résistance est constituée par une couche électro-conductrice 127 recouvrant une fenêtre 128 de la couche de silice 109; la fenêtre 128 est située au droit d'une diffusion p+ 129 se trouvant à l'extrémité du caisson 126 opposée à la diffusion 125. La couche 127 constitue une borne de sortie du circuit inté- gré, telle que la borne 103a ou 103b du circuit intégré de la figure 2. Bien entendu, les résistances intégrées 104a, 104b du circuit de la figure 2 peuvent être réalisées selon une autre techno- logie; par exemple ces résistances peuvent être formées par un réseau de diodes constituées dans une couche de silicium polycris- tallin formant les couches électroconductrices du circuit intégré. Alternativement, les résistances 104a, 104b peuvent être formée chacune par un transistor MOS convenablement polarisé. Par ailleurs, l'un des condensateurs 10la ou 101b du circuit peut être à capacité fixe. Dans ce cas, le condensateur de découplage (105a respectivement 105b), la résistance (104a respec- tivement 104b) et la borne (103a respectivement 103b) associés audit condensateur fixe peuvent être supprimés. La présente invention est notamment applicable aux oscilla- teurs commandés par un signal de tension utilisés dans les dispo- sitifs de télécommunication à modulation de fréquence. Cette invention est aussi utilisable dans les montres élec- troniques ou les dispositifs de télécommunication utilisant un oscillateur dont la fréquence doit être corrigée en fonction de la température du résonateur de cet oscillateur. REVENDICATIONS 1. Circuit d'établissement et d'entretien des oscillations d'un résonateur (2), du type comportant, intégrés dans une même pastille de semi-conducteur (100), deux premiers condensateurs (101a, 101b); au moins un élément actif amplificateur (10) ayant une électrode de commande (10a) et deux électrodes de trajet de courant commandé (lob, 10c); une première paire de bornes (130a, b) pour le branchement du résonateur (2); et une deuxième paire de bornes (6, 7) pour le branchement d'une source d'alimentation électrique (3), chaque borne (130a, 130b) de la première paire étant reliée à l'une (7) des électrodes de la deuxième paire via un premier condensateur (101a, 101b) respectif, l'armature (102a, 102b) opposée à la borne d'alimentation (7) de chaque premier condensateur (101a, 101b) étant en outre reliée à une électrode respective desdites électrodes suivantes -- électrode de commande (10Oa) et l'une (lob) des électrodes de trajet de courant comman- dé -- de l'élément actif (10), caractérisé en ce qu'au moins l'un des premiers condensateurs (101ba, 101b) est du type à capacité variable en fonction de la tension qui lui est appliquée, et en ce que ladite armature oppo- sée (102a, 102b) de ce condensateur est reliée à une borne de sortie (103a, 103b) de la pastille de semi-conducteur (100). 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un second condensateur (105a, 105b) intégré dans la pastille de semi-conducteur (100) est interposé dans la liaison entre ladite armature opposée (102a, 102b) du premier condensateur (101ba, 101b) et l'électrode (10a, 0lob) de l'élément actif (10) à laquelle cette armature est reliée. 3. Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une résistance (104a, 104b) intégrée dans la pastille de semiconducteur (100) est interposée dans la liaison entre ladite armature opposée (102a, 102b) du premier condensateur (101a, 101b) et la borne de sortie (103a, 103b) à laquelle est reliée cette armature opposée. 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il est réalisé en technologie MOS, en ce que le premier condensateur est constitué par un jonction (I1;I2) -lb entre deux zones de conductivités opposées (108 resp. 107; 134 resp. 116) de la pastille de semi-conducteur (100) et en ce que le second condensateur (105a, 105b) comprend une partie (109a;109b) de couche isolante (109) recouvrant l'une desdites zones, cette partie de couche isolante étant revêtue d'une couche électro-con- ductrice (111;118). 5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite jonction (Il) est l'interface entre deux zones (108 resp. 107) de type respectivement p et n+ de la pastille de semi-conduc- teur (100). 6. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite jonction (I2) est l'interface entre deux zones (134 resp. 116) de type respectivement n et p+ de la pastille de semi-conduc- teur (100). 7. Circuit selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ledit second condensateur, (105a;105b) recouvre sensi- blement la totalité de ladite jonction (I1;I2) constituant le premier condensateur (101a, 101b).