Brevet FR2532799A1 — publié le 19840309

l 2532799 Filtre passe-haut à condensateur commuté. L'invention concerne de façon générale des fil- tres électroniques passe-haut dans la gamme de fré- quences, et elle concerne plus particulièrement des filtres à condensateurs de précision commutés pour des circuits intégrés. Un filtre passe-haut connu de base dans la gam- me de fréquences est représenté sur la figure 1 Il comporte une borne d'entrée de signaux ENT, un con- densateur de blocage C 1 en courant continu, une ré- sistance R, et une borne de sortie de signaux SORT qui pourrait par exemple être typiquement reliée au noeud de sommation d'un amplificateur à contre-réac- tion Le symbole de référence C tel qu'utilisé ici avec différents indices pour identifier des conden- sateurs particuliers est également utilisé pour dé- signer-la valeur de capacité de ce condensateur. Dans des circuits MOS (métal-oxide-semiconduc- teur) intégrés à très grande échelle, il n'est géné- ralement pas possible de prévoir soit une résistance de précision pour R soit un condensateur dont la va- leur suit l'inverse de la valeur de la résistance pour des variations dans le procédé de fabrication. La résistance R peut cependant être remplacée par un condensateur C 2 qui est commuté par une paire de com- mutateurs électroniques à bascule 51, 52 à contacts on 2 2532799 échelonnés dans l'ordre repos-travail quizsont com- mandés par des trains d'impulsions de commutation /1 ' 02 qui ne se chevauchent par, pour fournir la structure de filtre connue à condensateurs commutés de la figure 2 La valeur du condensateur C 2 qui correspond à la valeur de la résistance R est égale à t f étant la fréquence des trains d'impulsions s 2 s de commutation on remarquera que des valeurs de ca- pacité C 1 plus importantes correspondent à des fré- quences de coupure plus faibles pour un tel filtre. La fréquence de coupure d'un filtre est la fréquence qui est associée au coude de la courbe caractéristi- que de transmission pour ce filtre. On pourra se référer à l'article Introduction to the Theory and Design of Active Filters, de L P. Huelsman et P E Allen (McGraw-Hill Book Company, New York, 1980, notamment Section 7 2, pages 360 à 378, pour d'autres exemples connus de filtres à con- densateurs commutés dans les circuits intégrés. Un problème avec la structure de filtres à condensateurs commutés du type représenté sur la fi- gure 2 réside dans le fait que pour une valeur de capacité donnée C 2, telle qu'exigée pour la commande de sortie, et une fréquence d'impulsions de commuta- tion donnée pour les commutateurs électroniques 51, 52, il est nécessaire que le condensateur C 1 possède une valeur relativement importante pour pouvoir ob- tenir une fréquence de coupure relativement faible. Ceci est dû au fait qu'une limite inférieure de la valeur du condensateur C 2 est imposée par la nature du circuit de charge Des éléments dont la valeur de capacité est importante nécessitent une surface supplémentaire sur la pastille de circuit intégrét En outre, l'exigence que la source de signaux fournis- se tout le courant nécessaire pour charger C 2 peut 3 2532799 également conduire à un coût supplémentaire impor- tant. Un autre problème concerne une capacité pa- rasite CX, représentéeen pointillés sur la figure 2, qui existe du côté du condensateur C 2 qui est relié au commutateur 51 dans le circuit de l'art antérieur. Cette capacité commutéesupplémentaire provoque des perturbations par le faitqu'ell:e dépend généralement de la tension et introduit une perte de transmission non linéaire qui peut être importante. Bien qu'on puisse également obtenir une fré- quence de coupure plus faible pour la structure de l'art antérieur en abaissant la fréquence des impul- sions de commutation pour les commutateurs Si, 52, ceci ferait apparaître des problèmes pour la réalisa- tion d'autres fonctions du circuit sur la pastille, en supposant que c'est la fréquence d'horloge prin- cipale qui est abaissée; ceci peut également créer de nouveaux problèmes pour empêcher un repliement du spectre si les impulsions de commutation représentent un autre décomptage pour l'horloge principale. La structure de filtre passe-haut à deux con- densateurs commutés suivant la présente invention comporte un circuit tampon pour fournir un courant de charge à un condensateur de sortie, ce qui permet d'obtenir une fréquence de coupure donnée pour une fréquence de commutation et une possibilité d'admit- tance de transfert données avec une valeur du con- densateur de blocage d'entrée relativement faible. Le circuit tampon augmente également l'impédance d'entrée et de ce fait réduit la contrainte imposée au circuit d'entrée,en isolant l'alimentation de cou- rant pour le condensateur de sortie du signal de commande. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la a, 2532799 description suivante de deux modes de réalisation donnés à titre d'exemple et représentés aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un filtre passe- haut de base de l'art antérieur; la figure 2 est un schéma d'une version du filtre passe-haut de la figure 1 à condensateurs com- mutés de l'art antérieur; la figure 3 est un schéma d'un exemple d'un filtre passe-haut à condensateurs commutés suivant la présente invention; et la figure 4 est un schéma d'un autre exemple d'un filtre passe-haut à condensateurs commutés sui- vant la présente invention qui comporte une branche de correction d'erreur. Le filtre 10 de la figure 3 comporte un con- densateur deblocage C 1 en courant continu qui reçoit une tension de signal d'entrée provenant d'une borne d'entrée ENT L'autre côté du condensateur de bloca- ge C 1 l est relié, par l'intermédiaire d'un commutateur S commandé à une fréquence f ' à l'électrode de por- te d'un transistor tampon MOS Ti Le drain du tran- sistor tampon T 1 est relié à une source de tension stable VDD La source du transistor tampon T 1 est reliée à une source de courant, représentée sous la forme d'un transistor T 2 du type à appauvrissement, dont la source et la porte sont à leur tour reliées à une source de tension relativement négative V Un côté d'un condensateur de sortie C 2 est relié à la source du transistor tampon T 1 et l'autre côté de ce condensateur est relié à une borne de sortie SORT 1, par l'intermédiaire d'un second commutateur 52 Il est avantageux que le transistor à source suiveuse T 1 soit également un dispositif du type à appauvrissement pour éviter un décalage important de }5 2532799 la valeur de tension continue qui pourrait réduire la plage de linéarité des signaux. Les commutateurs 51 et 52 sont des commutateurs à bascule unipolaires à contacts échelonnés dans l'ordre repos-travail qui peuvent être réalisés faci- lement de différentes manières avec des transistors à effet de champ MOS (transistorsà effet de champ métal-oxide-semiconducteur) et commandés par des trains d'impulsions de commutation distincts pi et 02 qui ne se chevauchent pas Les commutateurs 51,5 52 sont représentés sur toutes les figures des des- sins dans leur état qui correspond à la phase de commutation 01 Dans la phase de commutation 02 ils se trouveraient dans leur autre état. Le commutateur 51 relie la porte du transistor tampon T 1 alternativement au condensateur de bloca- ge C 1 et à la borne de terre des signaux Le second commutateur 52 relie le côté de sortie du condensa- teur C 1 alternativement à la borne de sortie SORT 1 et à la borne de terre des signaux. Sur la figure 3, on a représenté en pointillés un condensateur C 3 qui représente la capacité entre la porte et le drain du transistor de blocage T plus la capacité parasite du commutateur 51 i Une ca- ractéristique particulièrement avantageuse du filtre réside dans le fait que la capacité commutée, qui détermine la capacité terminale C 1 de la résistance de charge, peut être limitée à la valeur C 3 relati- vement faible, ce qui se traduit par une valeur de résistance équivalente relativement élevée et soit par une fréquence de coupure relativement faible soit par une faible valeur de C 1. Sur la figure 3, on a également représenté en pointillés une seconde branche de sortie comportant un condensateur C 4 relié, par l'intermédiaire d'un 6 - 2532799 troisième commutateur à bascule 53, à une borne de sortie supplémentaire SORT 2, pour montrer que plu- sieurs signaux de sortie peuvent être dérivés de la source du transistor tampon T 1, de façon souhaitée, en prévoyant des paires supplémentaires de condensa- teurset de commutateurs. Bien que naturellement les valeurs spécifiques des condensateurs C 1, C 2, C 3, C 4, etc, pour une application particulière du filtre 10 doivent être choisies en tenant compte de la fréquence des impul- sions de commutation et d'autres considérations, le condensateur de blocage C 1 est supposé posseder une capacité suffisamment importante pour que sa charge ne change pas de façon appréciable pendant la durée de la composante de fréquence minimale du signal qui doit être transmise par le filtre 10 afin que son niveau de perte soit aussi faible qu'il est néces- saire au delà de la fréquence de coupure. Lors du fonctionnement du filtre 10, ie con- densateur C 3 de valeur relativement faible qui est basculé entre l'extrémité de sortie du condensateur d'entrée C 1 de valeur relativement importante et la tension de référence (terre) fat disparaître lentement la charge qui se trouve sur l'armature droite du condensateur d'entrée Ci Les composantes de frequen- ce des signaux qui sont inférieures à une fréquence de coupure déterminée par les valeurs de capacité C, C 3 et la fréquence de commutation fs sont en grande partie court-circuitées vers la terre Le cow- mutateur à bascule 51 sert également de bascule pour le côté gauche des condensateurs C 2 et C 4 Les pre- mière et seconde branches de sortie sont prévues de façon typique pour servir de résistances d'entrée pour des amplificateurs (non représentés) Le tran- sistor "tampon" T 1, qui est un transistor à source 7- suiveuse de puissance suffisamment importante pour lui permettre de charger complètement son circuit de charge pendant la durée de conduction des commu- tateurs S, 52, transmet les variations de sa ten- sion de porte sans atténuation aux bornes gauches des condensateurs C 2 et C 4 En pratique, la capacité parasite non linéaire CX conduisant à la terre à partir du noeud au niveau duquel la source du tran- sistor tampon T 1 est réunie au condensateur C 2 est immatérielle, ce qui est également le cas pour le niveau de tension continu au niveau de ce noeud, ex- cepté en ce qui concerne son effet sur la gamme de tension de signaux Le niveau de tension continue sur la source du transistor tampon T 1 n'a aucun ef- -15 fet matériel sur la dérive de la tension de sortie. Lors du fonctionnement du filtre 10, la commu- tation de la tension de commande du commutateur 51 entre ces niveaux logiques bas et haut se traduit par une erreur de traversée de commutation qui est caractéristique des dispositifs MOS En effet, ceci signifie que la tension au niveau du noeud 12 compor- te une tension d'erreur V dans la phase q,, de sor- er te que la tension au niveau du noeud 12 fait un bond à partir de la valeur de tension de terre pour pren- dre une valeur C 1 C +C 3 Vsig + Ver dans la phase q 1 Dans la phase 02 elle revient à la valeur de tension de terre ou à O V Bien que cet- te erreur soit très faible, pour certaines applica- tions du filtre 10 il peut être souhaitable de 19-é- liminer. Un autre exemple d'un filtre suivant l'inven- tion est le filtre 14 de la figu re 4 qui est une mo- de de réalisation du filtre 10 de la figure 3 modifié 8 2532799 de manière à comprendre des moyens pour compenser l'effet-de la tension d'erreur de traversée Ver men- tionné ci-dessus dans le signal de sortie Le filtre modifié 14 comporte une branche de filtrage supé- rieure 16 et une branche de compensation inférieure 1 E, ces deux branches étant entourées par des rec- tangles en traits mixtes La branche de filtrage 16 peut être considérée comme virtuellement identique -au filtre 10 de la figure 3, et est par conséquent représentée avec les mêmes références que celles utilisées pour les éléments correspondants sur la fi- gure 3 La branche de compensation 18 est similaire à la branche de filtrage 16 en ce qui concerne sa configuration et les caractéristiques de ses compo- sants Cependant, la borne située au niveau de l'ar- mature gauche du condensateur C 1, qui correspond à la borne ENT de la branche de filtrage, est mise à la terre La borne de sortie SORT'1 du commutateur S'2 est reliée à la borne de sortie SORT du commu- tateur 52 dans la branche de filtrage 16 Les élé- ments du circuit sont désignés par les références des éléments correspondants dans la branche de filtra- ge supérieure 16 auxquelles on a ajouté un signe '. On remarquera que la commutation du commutateur S'1 de la branche de compensation 18 est décalée de sen- siblement 180 degrés par rapport à la commutation du commutateur 51 de la branche de filtrage 16 Cepen- dant, il apparait au niveau du noeud 12 ' la même er- reur de tension continue Ver que celle qui apparaît au niveau du noeud 12 Etant donné que la porte du transistor tampon T'1 passe d'une valeur de tension Ver à la valeur de tension de terre dans la phase 1 ' la branche de compensation 18 fournit au noeud- de sortie uniquement une charge de correction de tra- versée de commutation qui possède un signe opposé mais exactement la même amplitude que la charge d'er- reur due à Ver appliquée au noeud SORT 1 de la bran- che de filtrage 16 dans la phase O î Etand donné que les sorties des branches 16 et 18 sont combinées, ceci conduit à une annulation complète de l'erreur sur la borne de sortie SORT 1. La source de courant pour le transistor tam- pon T 1 peut posséder l'une quelconque de différentes configurations de source de courant, par exemple une configuration à courant en rapport géométrique. La fonction du transistor tampon T 1 peut être assurée par un transistor à effet de champ du type à appauvrissement ou à enrichissement ou par un am- plificateur opérationnel ou autre Dans le cas du transistor tampon Tl, le noeud 12 correspond à une borne d'entrée du circuit tampon et la source corres- pond à une borne de sortie du circuit tampon. Le filtre de la figure 4 peut également être muni de plusieurs bornes de sortie SORT, d'une ma- nière similaire à ce qui a été décrit ci-dessus en se référant au filtre 10 de la figure 3. La capacité C 3 peut également inclure une ca- pacité supplémentaire relativement stable ajoutée lors de la conception à la capacité entre la porte et le drain du transistor T 1 pour obtenir un filtre présentant une distortion d'amplitude plus faible. Le terme "terre" tel qu'utilisé ici désigne un potentiel de référence qui est sensiblement constant. Bien que sur les figures 2, 3 et 4 on ait utilisé le même symbole courant pour définir un tel potentiel en différents points, on comprendra que ces diffét- rents potentiels pour un circuit donné n'ont pas né- cessairement la même valeur. REVENDICATIONS 1 Filtre passe-haut destiné à être utilisé dans des circuits intégrés, comportant des premier ('1) et second (C 2) condensateurs montés en série entre des bornes d'entrée (ENT) et de sortie (SORT), un premier commutateur de transfert ( 51) qui peut être branché cycliquement entre une armature dudit second condensateur et soit une borne de référence de terre soit une armature dudit premier condensa- teur, et un second commutateur de transfert ( 52) qui peut être branché cycliquement entre l'autre ar- mature dudit second condensateur et soit une borne de référence de terre soit ladite borne de sortie, lesdits premier et second commutateurs étant cor Lmu- tés cycliquement en synchronisme, caractérisé par le fait qu' un circuit tampon actif (TX, T 2), interposé entre ledit premier commutateur et ledit second con- densateur, fournit un courant de charge audit second condensateur. 2 Filtre passe-haut suivant la revendication 1, caractérisé en outre par le fait que ledit circuit tampon actif est un premier tran- sistor à effet de champ MOS (métal-oxyde-semiconduc- teur) (T,) dont l'électrode de drain (D) est reliée à une source de tension fixe (VDD) présentant une po- larité, l'électrode de porte ( 12) est reliée audit premier commutateur de transfert ( 51) et l'électro- de de source (S) est reliée audit second condensa- teur (C,). 3 Filtre passe-haut suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu' il comporte un second transistor à effet de champ MOS (T 2) dont l'électrode de drain est reliée à l'électrode de source dudit premier transistor (T 1) et à une armature dudit second condensateur (C) et dont les électrodes de porte et de drain sont re- liées l'une à l'autre et à une source de tension (Vys) de polarité opposée à celle-de la source de tension fixe. 4 Filtre passe-haut suivant la revendication 1, sujet à une erreur de dérive de la tension de tra- versée, caractérisé par le fait qu' il comporte en outre un agencement de compen- sation qui élimine sensiblement un tel effet de ten- sion de traversée et qui comporte un troisième (C 1 ') et un quatrième (C 2 ') con- densateurs,'adaptés auxdits premier (Ci) et second (C 2) condensateursreliés au niveau d'une armature à un potentiel de référence de terre; un troisième commutateur de transfert qui com- porte un contact relié à l'autre armature dudit troi- sième condensateur, un second contact relié au po- tentiel de référence de terre, et un troisième con- tact de transfert; un circuit tampon actif (T 1 ', T 2 ') interposé entre lesdits troisième et quatrième condensateurs pour fournir un courant de charge audit quatrième condensateur au niveau du troisième contact de trans- fert dudit troisième commutateur de transfert (Si') et à une armature dudit quatrième condensateur (C 2 '); et un quatrième commutateur de transfert dont le contact de transfert est relié à l'autre armature dudit quatrième condensateur et les contacts restants D sont respectivement reliés au potentiel de référence de terre et à ladite borne de sortie (SORT); lesdits premier, second et quatrième commuta- teurs fonctionnant en synchronisme et en phase et ledit troisième commutateur fonctionnant en synchro- LO nisme mais en étant déphasé par rapport aux autres commutateurs.