Brevet FR2517886A1 — publié le 19830610

La présente invention concerne les circuits intégrés à transistors à effet de champ à gâchette isolée (IGFET) et, plus précisément, un circuit limitateur-transducteur de signaux en alternatif codés en forme binaire, servant d'étage d'entrée d'un circuit intégré de ce type. Un circuit intégré IGFET présente ordinairement, entre la borne d'entrée et le substrat de matière semiconductrice dans lequel il est formé, une jonction redresseuse qui est polarisée en sens inverse pendant le fonctionnement normal du circuit. Dans bien des cas, cette jonction est celle d'une diode qui fait partie d'un dispositif de protection, prévu spécialement pour éviter la formation de tensions trop élevées sur la borne d'en- trée Cette dernière est d'habitude raccordée à l'électrode de "gâchette" d'un transistor et elle présente par conséquent une inmpdance extrêmement élevée par rapport au substrat La diode est dimensionnée de manière à se mettre en conduction inverse avant que la tension sur la borne de "gâchette" du transistor d'entrée n'atteigne la valeur de rupture du diélectrique de "gâ- chette". Lorsque l'étage d'entrée du circuit intégré est un transduc- teur de signaux en alternatif qui peuvent prendre des grandeurs suffisantes pour mettre en conduction directe la jonction d'entrée, il faut tenir compte du phénomène de l'émission de charges mino- ritaires par cette jonction dans les intervalles de temps o celle-ci se trouve en conduction directe De telles charges, en diffusant à travers le substrat, peuvent atteindre des noeuds de circuit voisins qui sont momentanément "flottants", c'est-à-dire qui présentent une impédance élevée par rapport aux bornes d'ali- mentation du circuit, ce qui nuit finalement au fonctionnement correct du circuit. Un procédé connu pour éviter l'inconvénient évoqué ci-dessus consiste, selon ce qui est décrit par exemple dans le brevet des Etats-Unis n O 3 934 159, à utiliser une diode entre la borne d'entrée et le substrat Cette diode ueut être extérieure au circuit intégré, ou bien comprise dans celui-ci, mais isolée soigneusement des autres composants du circuit, et elle est choisie ou dimensionnée de manière à avoir, en conduction directe, une chute de tension inférieure à celle de la jonction d'entrée, ou bien une caractéristique courant-tension en conduction directe plus rapide que celle de la jonction d'entrée Toutefois, une diode extérieure ne semble pas résoudre le problème, ou bien elle n'est pas acceptable par le fait qu'elle va à l'encontre de la tendance actuelle vers une intégration de plus en plus poussée, et Une diode intérieure isolée n'est pas à conseiller, car elle nécessite des phases opératoires supplémentaires et, par suite, un surcroît de coût. le but de la présente invention est de réaliser, dans un circuit intégré IGFET, un limitateur-transducteur qui ne nécessi- te pas de composants extérieurs au circuit intégré, ni des phases opératoires supplémentaires. Ce but est atteint, d'après l'invention, avec un circuit limitateurtransducteur de signaux en alternatif codés en forme binaire, servant d'étage d'entrée d'un circuit intégré à transis- tors à effet de champ à "gchette" isolée comprenant deux bornes d'alimentation pour sa connexion a une source de tension, une borne d'entrée pour le couplage en alternatif avec un générateur de signaux ayant une impédance interne donnée, et une borne de sortie, comprenant en outre des moyens de polarisation qui déter- minent la tension de repos sur la borne d'entrée, ce circuit présentant, entre la borne d'entrée et l'une des bornes d'alimen- tation, une jonction redresseuse normalement polarisée en sens inverse, caractérisé en ce qu'il comprend un transistor de limi- tation, inséré avec son trajet "source,"-"drain" entre la borne d'entrée et l'autre borne d'alimentation et avec son électrode de "gâchette" raccordée à la borne de sortie d'un générateur de tension de polarisation, cette tension de polarisation étant choisie de telle manière que le transistor de limitation passe en conduction lorsque la tension sur la borne d'entrée, due au signal, varie dans le sens d'une réduction de la tension de polarisation inverse de la jonction redresseuse, est supérieure à la valeur minimale décelable par le circuit et est inférieure à la valeur pour laquelle la jonction redresseuse passe en con- duction directe, le transistor de limitation ayant en conduction une résistance de-canal qui est très basse par rapport à l'impé- dance interne du générateur de signaux. L'invention pourra être bien comprise à l'aide de la des- cription qui suit de l'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple et, par conséquent, sans caractère limitatif, en référence aux dessins ci-annexés. La fig 1 est le schéma de c-ircuit d'un amplificateur- inverseur, de type connu, qui constitue l'étage d'entrée d'un circuit intégré IGFET. La fig 2 est le schéma de circuit d'un étage d'entrée sem- blable à celui de la fig 1, avec un limitateur fonctionnant suivant le principe de l'invention. La fig 3 est le schéma de circuit d'un amplificateur avec li Thitateur d'entrée, suivant une forme de réalisation pratique de l'invention. Conmme on le voit sur les dessins, le circuit de la fig 1 est Un amplificateur à polarisation automatique qui fait partie d'un circuit intégré IGFET, non autrement représenté, délimité par une ligne de tirets sur le dessin La borne d'entrée N du circuit intégré est raccordée, par l'intermédiaire d'un conden- sateur Ci, à un générateur de signaux à impulsions dont la gran- deur peut varier dans de larges limites en fonction des conditions d'utilisation Ce générateur est représenté par son schéma équiva- lent, comprenant une source G et une impédance Z montée en série entre le condensateur Cl et la masse Ce pourrait être par exemple le groupe constitué par le transducteur opto-électronique et par un préamplificateur d'entrée d'un appareil de commande à distance à rayons infra-rouges d'un téléviseur, qui utilise, pour la transmission des informations, des signaux à impulsions codés en forme binaire De tels signaux ont une grandeur qui varie en fonction de la distance entre émetteur et récepteur Dans un tel cas, l'amplificateur de la fig 1 constitue l'étage d'entrée d'un circuit qui amplifie, décode et élabore les signaux à la récep- tion et qui délivre des instructions correspondantes aux organes de commande du téléviseur. Plus précisément, le circuit comprend deux transistors 21 et T 2 du type à enrichissement à canal n, montés de manière à former un inverseur, c'est-à-dire que l'électrade de "source" de Tl, qui est l'élément actif de l'amplificateur, est raccordé au pôle d'alimentation négatif, représenté par le symbole de masse, que les électrodes de "gâchette" et de "drain" de T 2, qui joue le rôle de charge, sont raccordées ensemble au pôle positif, indiqué par +VDD, de la source d'alimentation et que les électrodes de "drain" de T 1 et de "source" de 22 sont raccordées ensemble en un noeud de circuit S qui constitue la borne de sortie de l'ampli- ficateur On notera que le transistor T 2 pourrait être également du type à appauvrissement Mais dans un tel cas, l'électrode de "gâchette" devrait être raccordée à la borne S, plutôt qu'à la borne d'alimentation +VDD Deux résistances en série, Rl et R 2, sont insérées entre la borne N et le noyeu S et leur point de jonction I-I est raccordé directement à l'électrode de "gâchette" de T 1 Entre la borne N et la masse est montée une diode D qui, en combinaison avec la résistance Rl, constitue le dispositif de protection d'entrée du circuit intégré Cette diode est normale- ment polarisée en sens inverse et, par suite, n'influe pas sur le fonctionnement du circuit Entre la borne d'entrée N et la masse est également représenté un condensateur 02 qui figure la capacité associée à l'*entrée du circuit intégré. De façon connue des spécialistes dlu projetage des circuits intégrés IGFET, les composants du circuit peuvent être dimension- nés de telle manière que l'amplificateur se polarise au point de gain maximal, c'est-à-dire comme on peut le voir d'après la disposition du circuit de telle manière que la tension de repos VR sur la borne d'entrée N soit sensiblement égale à celle qui est présente sur la borne de sortie S Les résistances Rl et R 2 sont choisies de telle manière que leur résistance totale soit suffisamment grande pour garantir un découplage satisfaisant entre sortie et entrée de l'amplificateur, sans nuire toutefois à la vitesse de retour à la tension de repos, vitesse qui, en l'absence de signal, est déterminée par le temps de décharge de la capacité d'entrée C 2 à travers les résistance en série Rl et R 2. Lors du fonctionnement du circuit de la fig 1, quand la demi-onde négative du signal sur la borne d'entrée N a une gran- deur supérieure à la somme de la tension de repos VR et de la tension de seuil VD pour la conduction en direct de la diode D, il se produit une injection d'électrons dans le substrat du circuit intégré, avec les inconvénients mentionnés précédemment. Dans le circuit de la fig 2, dont les symboles de référence semblables à ceux de la fig 1 désignent les mêmes éléments, il est prévu, suivant l'invention, un transistor T 3 du même type que Tl, dont les électrodes de "source" et de "drain" sont raccordées respectivement à la borne d'entrée N et à la source d'alimenta- tion +VDD; et dont l'électrode de "gâchette" est raccordée à un générateur de tension de polarisation Vp, non représenté sur le dessin. La tension Vp est choisie de telle manière que le transistor T 3 passe en conduction lorsque la demi-onde négative du signal d'entrée descend audessous d'un niveau préalablement fixé qui est supérieur au niveau pour lequel la diode D passe en conduction directe En d'autres termes, si l'on désigne par VT la tension de seuil du transistor T 3, la tension Vp doit satisfaire l'inégalité À V -V V 1,I La tension de polarisation V doit aussi satisfaire à une conditio P imposée par la sensibilité d'entrée de l'amplificateur Si l'on désigne par VS la grandeur minimale du signal décelable en toute sécurité par l'amplificateur, cette condition est exarimée par 1 ' inégalité | vp VTI dès que T 3 entre en conduction En conséquence, pendant l'inter- valle dans lequel la demi-onde négative tend à descendre au- dessous du niveau préalablement fixé, la tension sur la borne d'entrée reste pratiquement à la valeur correspondant au début de la conduction de T 3 et la diode de protection D ne peut pas tasser en conduction Naturellement, l'action du transistor T 3 provoque une coupure de la demionde négative du signal, mais cela ne constitue pas un inconvénient, par le fait qu'il n'est pas indispensable que le signal d'entrée soit transmis intégralement dans sa forme: il suffit que l'information binaire qui y est contenue reste non modifiée. Dans une application pratique de l'invention, la tension de polarisation Vp est choisie égale à la tension de repos VR, par exemple dans le mode représenté sur la fig 3 Le circuit est formé d'une partie amplificatrice qui comprend deux transistors T 4 et T 5 montés comme les transistors T 1 et T 2 des fig 1 et 2, mais sans aucune connexion entre les bornes de sortie S et d'en- trée N, et d'une partie de polarisation qli comprend deux tran- sistors T 6 et T 7 qui sont tout à fait semblables structurellement et, par suite, fonctionnellement à T 4 et 25 respectivement et qui sont montés comme 121 et T 2 des fig 1 et 2, sauf en ce qui concerne la gâchette de T 6 qui est raccordée au point de jonction P entre la borne de drain de T 6 et la borne de source de T 7 Le point P est également raccordé à la g Tâhette du transistor T 3. 3 N l'absence de signal d'entrée, les points N, P et S sont équipotentiels et, plus précisément, se trouvent à une tension de repos V que l'on détermine en agissant sur les caractéristiques R structurelles des transistors T 6 et T 7 En particulier, on voit que la tension VR est présente sur la borne de sortie S parce que les transistors T 4 et T 5 sont respectivement semblables à T 6 et T 7, sont raccordés de la même manière aux bornes d'alimentation et ont leurs bornes de gâchette aux mêmes tensions respectivement. Le fonctionnement du circuit de la fig 3 est exactement semblable à celui qui a été décrit à propos de la fig 2, à condition que l'on suppose Vp = VR Eu égard au fait qu'il a été représenté et décrit une seule forme d'exécution de la présente invention, il va de soi que diverses variantes peuvent être imaginées, sans Liue l'on s'écarte l O du cadre de l'invention Par exemple, un circuit tout à fait sem- blable à celui qui a été décrit pourrait àtre réalisé avec des transistors du type à canal p, à la place de transistors du type à canal n. R-VBNDI CATI ONS 1 Circuit limitateur-transducteur de signaux en alternatif codés en forme binaire, servant d'étage d'entrée d'un circuit intégré à transistors à effet de champ à "gâchette"' isolée, com- prenant deux bornes d'alimentation pour sa connexion à une source de tension, une borne d'entrée pour le couplage en alternatif avec un générateur de signaux ayant une impédance interne donnée, et une borne de sortie, comprenant en outre des moyens de polari- sation qui déterminent la tension de repos (VR) sur la borne d'entrée, ce circuit présentant, -entre la borne d'entrée et l'une des bornes d'alimentation, une jonction redresseuse norma- lement polarisée en sens inverse, caractérisé en ce qu'il comprend un transistor de limitation (T 3), inséré avec son trajet "source"- "drain" entre la borne d'entrée et l'autre borne d'alimentation et avec son électrode de "gâchette" raccordée à la borne de sortie d'un générateur de tension de polarisation (VP), cette tension de polarisation étant choisie de telle manière que le transistor de limitation (T 3) passe en conduction lorsque la tension sur la borne d'entrée, due au signal, varie dans le sens d'une réduction de la tension de polarisation inverse de la jonction redresseuse, est supérieure à la valeur minimale décelable par le circuit et est inférieure à la valeur pour laquelle la jonction redresseuse passe en conduction directe, le transistor de limitation (T 3) ayant une résistance de canal en conduction qui est très basse par rapport à l'impédance interne du générateur de signaux. 2 Circuit limitateur-transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension de polarisation (Vp) est égale à la tension de repos (VR). Circuit limitateur-transducteur selon la revendication 2, comprenant un premier transistor (T 4) dont les électrodes de "source" et de "drain" sont raccordées directement, respective- ment à l'une des bornes d'alimentation et à la borne de sortie (S) et dont l'électrode de "gâchette" est raccordée opérative- ment à la borne d'entrée (N), et un second transistor (T 5) dont l'électrode de "source" est raccordée à la borne de sortie (S) et les électrodes de "drain" et de "gâchette" sont raccordées ensemble à l'autre borne d'alimentation (+VDD), caractérisé en ce que les moyens de polarisation comprennent un troisième (T 6) et un quatrième (T 7) transistors, semblables respectivement au premier (T 4) et au second (T 5) transistors et raccordés entre eux et à la source d'alimentation de la même manière que ces premier (T 4) et second (T 5) transistors, l'électrode de "gâchette" du troisième transistor (T 6) étant raccordée au point de jonction (P) entre l'électrode de "drain" du même troisième transistor (T 6) et l'électrode de "source" du quatrième transistor (T 7), ce point de jonction (P) étant raccordé à la borne d'entrée (N) par l'in- termédiaire d'un élément résistant (Rl, R 2), et en ce que le générateur de tension de polarisation coïncide avec les moyens de polarisation, sa borne de sortie étant le point de jonction (P) entre les électrodes de "drain" et de "source" du troisième (T 6) et du quatrième (T 7) transistors.