Brevet FR2541059A1 — publié le 19840817

La présente invention concerne les convertisseurs numérique-analogique (N/A) L'invention porte plus particu- lièrement sur des convertisseurs N/A utilisant des interrup- teurs CMOS attaqués de façon complémentaire pour produire un signal de sortie en mode de tension. En considérant la figure 1, on note que le conver- tisseur N/A CMOS à mode de tension (ou à commutation de ten- sion) de base comprend un réseau en échelle R/2 R à couche mince, 20, et une paire d'interrupteurs MOS à canal n, dé- finis de façon générale par la référence 22 Chaque paire d'interrupteurs attaquée de façon complémentaire est formée par un interrupteur pour VREF (tension de référence) et par un interrupteur pour MANA (masse analogique) , l'interrupteur à l'état conducteur étant déterminé par le bit de code d'en- trée correspondant qui est appliqué au convertisseur La terminaison du réseau en échelle est connectée à la masse analogique MANA par l'intermédiaire d'un interrupteur MANA qui est conducteur en permanence. Du fait de la nature du réseau en échelle R/R et du fait que la résistance d'un interrupteur à l'état conduc- teur (% O) est finie (c'est-à-dire qu'elle est supérieure à O),les résistances ROM sont habituellement pondérées de fa- çon binaire On effectue ceci en pondérant d'une façon bi- naire les configurations géométriques des dispositifs, pour les interrupteurs pour VRE comme pour les interrupteurs pour MANA De plus, il est important que les résistances à l'état conducteur d'une paire d'interrupteurs soient aussi proches que possible, c'est-à-dire que, dans le cas idéal: 3 REF Rpour une paire d'interrupteurs A Adonnée. En considérant maintenant la figure 2, on voit une configuration connue pour une paire d'interrupteurs 22 A, 22 E, qu'on emploie quelquefois lorsqu'un convertisseur N/A à mode de courant classique est employé dans le mode de tension - les caractéristiques importantes de cette configuration sont les suivantes: (a) (L) = (,) = (r) les interrupteurs pour VOEF et pour V MATA ont la même taille (L'indice V désigne l'interrupteur pour VREF, et l'indice A désigne l'interrupteur pour MAA) (b) Les deux dispositifs occupent le même caisson p, qui est connecté à MANA (c) les deux dispositifs ont des tensions de grille à l'état conducteur égales à VDDO En supposant un fonctionnement des dispositifs en mode non saturé, on peut établir les expressions donnant les résistances des interrupteurs à l'état conducteur, à partir de l'équation de courant fondamentale: IDS = N () l(VG VT) VDS 2 DS dans laquelle { N = Cox = ko % tox x = mobilité effective dans le canal, VT = tension de seuil 9 W = largeur effective du canal, et L = longueur effective du canal (i) On peut établir cette relation pour l'interrupteur pour VREF de la façon suivante: nW 2 2 t T 2 IDSV =i S LV l (VGS V VTV) VDSV 2 VDSV = N () l(VDD VREF VDSV V)VDSV 2 VDSV = A'n (L) l DD v RvTv)DSV + 2 =w r(VDD lc -IF - %) v % _ ? -L lD c 2 541059 lf 1 N ( 1)(D VREF T) + VDS 7 %=OV (Sn (V) lVDD VREF V Ty + VDSJV (ii) On peut établir une relation correspondante pour l'in- terru pteur pour MAN de la façon suivante: IS,= (n l = ('n ( ) (VDD VTI) VD Sa V I RN à DSA A-e VS A f 3 1 RON\ DS DS à D Sv for 1 kox 2 ksi q NB et or est le potentiel de Fermi. On voit d'après les expressions ci-dessus que dans la configuration d'interrupteurs connue de la figure 2, il existe une désàadaptation inhérente entre les RON des inter- rupteurs (c'est-à-dire que RON > RON), à cause des dis- cordances entre les valeurs VGS et VDS des dispositifs pour VREF et MANA Le fait que cette discordance sur les R em- pire lorsque VREF augmente conduit à une plage de tension de référence restreinte pour le convertisseur. D'autre part, la configuration de la figure 2 of- fre les avantages suivants: (i) une aire de puce relative- ment faible, du fait que-tous les interrupteurs peuvent être contenus dans un seul caisson p connecté à MANA, et (ii) une adaptation aisée au fonctionnement en mode de courant du fait que la configuration est prévue à l'origine pour être utilisée dans ce mode. La figure 3 montre une autre configuration connue d'une paire d'interrupteurs, prévue pour réaliser l'adapta- tion des RN dans un convertisseur N/A conçu spécialement pour l'utilisation dans le mode de tension Cette configu- ration de paire d'interrupteurs 220, 22 D présente les ca- ractéristiques importantes suivantes: (a) () > () Cette désadaptation sur (L) est déli- bérément introduite. (b) Les dispositifs pour VREF et NANA occupent des caissons p- séparés. (c) Les deux dispositifs ont des tensions de grille à l'état conducteur égales à VDD- Dans ce cas, les expressions des résistances à l'état conducteur sont les suivantes: (i) Interrupteur pour VREF: RINV = à W T R,) =V En R_ = \l _ \ 2 F l A San (}I) VDD VE Les tensions de seuil de drain sont: (i) Interrupteur pour VIEF: ( it= V Tn+Me pour DS + 2:F VTV 20 r DV + 2 (ii) Interrupteur pour MANA VTA = VT O + M l VOA + 20 r Du fait que les dispositifs pour VEF ont des caissons p individuels, leurs tensions de seuil sont maintenant in- férieures aux tensions de seuil correspondantes sur la fi- gure 2 (à cause de l'effet de corps réduit), et ils présen- tent une meilleure adaptation à leurs homologues pour AN Ao En égalant les résistances N', on voit qu'on peut introduire délibérément une désadaptation sur (L) pour réa- liser une compensation du premier ordre de la désadaptation inhérente des VGS des interrupteurs, pour une valeur donnée de VR W ( = L 1 A V V VDD VE VDS A v VDD VîF + VDS v v L'avantage de cette configuration par rapport à celle de la figure 2 consiste en une augmentation de la limite supérieure de la valeur de la tension de référence qu'on peut employer Parmi les inconvénients figurent: (i) une aire de puce relativement grande, du fait que chaque rôt interrupteur pour V exige son propre caisson p séparé; et (ii) une plage de tension de référence restreinte à des valeurs proches de la valeur particulière de VREF qui sa- tisfait l'équation ci-dessus. Pour optimiser la précision d'un convertisseur CMOS qu'on fait fonctionner dans un mode de tension, il est important que, pour une paire d'interrupteurs donnée, la résistance à l'état conducteur d'un interrupteur pour soit aussi proche que possible de celle de l'interrup- teur pour M^^A correspondant la présente invention porte sur une configuration destinée à réaliser une telle adapta- tion de résistance sur une plage de tensions de référence relativement étendue Dans un mode de réalisation préféré de l'invention qu'on décrira ci-après en détail, on obtient ce résultat en réglant la tension de grille de l'interrup- teur pour MA conformément à la valeur de VR pour obte- nir l'égalité des VGS des interrupteurs, et donc l'adapta- tion des résistances à l'état conducteur sur une plage étendue de tensionsde référence Grâce à ce résultat, le convertisseur N/A à mode de tension peut avantageusement avoir la possibilité de multiplication. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels - Ia figure 1 montre des éléments de base d'un con- vertisseur NIA OIOS classique; La figure 2 montre une configuration connue d'une paire d'interrupteurs prévue pour adapter au fonctionnement en mode de tension un convertisseur à mode de courant clas- sique; La figure 3 montre une configuration connue d'une paire d'interrupteurs prévue pour l'utilisation dans un con- vertisseur I/A à mode de tension, et assurant une adaptation des résistances à l'état conducteur pour une valeur de ten- sion de référence; la figure 4 montre une configuration d'une paire d'interrupteurs conforme à l'invention: la figure 5 est un schéma synoptique d'un généra- teur de tension de grille pour l'interrupteur pour MANA de la figure 4; la figure 6 montre un circuit générateur de tension de grille qui convient pour la réalisation dans un circuit intégré; la figure 7 montre un circuit d'attaque d'inter- rupteurs; Les figures 8 A et 8 B sont des schémas synoptiques qui représentent un autre générateur de tension de grille la figure 9 montre un schéma du circuit d'un géné- rateur de tension de grille du type représenté sur les fi- gures 8 A et 8 B; et la figure 10 montre un circuit d'attaque d'inter- rupteurs prévu pour l'utilisation avec le circuit généra- teur de la figure 9. On va maintenant considérer la figure 4 qui montre une configuration de base d'une paire d'interrupteurs CMOS, A, 30 B conforme à l'invention Cette configuration pré- sente les caractéristiques suivantes: (a) (W)V = ()A = (W) Les interrupteurs pour VREF et pour MANA ont la même taille. (b) Les dispositifs pour VREF et MANA occupent des caissons p séparés. (c) la tension de grille à l'état conducteur de l'interrup- teur pour MANA est VDD VREF, tandis que celle de l'inter- rupteur pour VREF est VDD. Les expressions pour RON sont les suivantes: (i) Interrupteur pour VREF: =V Fn (y) VDD V + VDSV (ii) Interrupteur pour MA: Roe T = ^) LVDDVREF T VD SA Les tensions de seuil de drain sont les suivantes: (i) Interrupteur pour VREF: VT = V= O +Ml i VDS + 2 $, 2- (ii) Interrupteur pour MANA: VT = VT + l DS E + 2 O O Les expressions ci-dessus pour RON montrent que les résis- tances à l'état conducteur, RO Ns de l'interrupteur pour VRE comme de l'interrupteur pour MANA sont fonction de VREF, et procurent une bonne adaptation pour une plage éten- due de VREF. La figure 5 montre sous forme de schéma synoptique un circuit générateur de tension de grille à l'état conduc- teur pour l'interrupteur pour MANA, prévu pour l'utilisation avec la configuration de la figure 4 La tension de sortie de ce circuit générateur fournit la tension d'alimentation positive pour tous les circuits d'attaque d'interrupteurs pour MANIA. la figure 6 est un schéma d'un circuit particulier, convenant à la fabrication dans un circuit intégré, qui réalise la fonction de tension de grille nécessaire; Ce cir- cuit générateur de-VDD VpF fournit la tension d'alimenta- tion positive pour le circuit d'attaque d'interrupteurs pour MANA qui est représenté sur la figure 7. On peut expliquer de la façon suivante le fonc- tionnement du circuit générateur de la figure 6: La tension d'entrée, VREF, est appliquée au circuit à charge d'émetteur qui est formé par QI et Q 2 le signal de sortie du circuit à émetteur suiveur est VREF ' Les dispositifs Q 3-Q 6 forment un double circuit miroir de cou- rant qui reproduit VREF VBà la source de Q 4, ce qui établit un courant (VRE VBE)/R dans la résistance R Ce courant est reproduit par les dispositifs Q 7 Q 9 dans une autre résistance R identique, ce qui produit pour Qll une tension de base VDD VREF + VBE qui appara't sous la forme VDD VREF à la sortie du circuit à charge d'émetteur qui est formé par Q 10 et Qll On peut noter spécialement que le terme VBE, qui est introduit inévitablement par le cir- cuit à charge d'émetteur à la sortie, est compensé par l'introduction d'un terme VBE similaire par le circuit à charge d'émetteur situé à l'entrée. Les figures 8 A et 8 B montrent une autre configura- tion pour réaliser la compensation de VBE Cette technique utilise à la fois un circuit générateur de tension de grille à l'état conducteur pour l'interrupteur pour VREF et un circuit semblable pour l'interrupteur pour MANA La figure 9 montre un schéma de circuit particulier prévu pour l'uti- lisation avec la configuration d'attaque d'interrupteurs correspondante de la figure 10. Ia conception du circuit générateur de base pré- sente les aspects importants suivants: (A) Du fait que l'erreur de linéarité la plus importante du convertisseur N/A, due à la désadaptation des résistances à l'état conducteur RON de la paire d'interrupteurs,se pro- duit lorsque VREF a une valeur maximale, le circuit généra- teur de tension de grille à l'état conducteur pour l'inter- rupteur pour MANA est de préférence conçu de façon à avoir la précision maximale à cette valeur particulière Pour une tension VDD de 15 V, le circuit générateur de VDD - VREF de la figure 6 peut 4 tre conçu de façon caractéristi- que pour fonctionner avec une référence de 10 V. (B) Il existe un compromis de conception dans le choix d'une valeur pour R sur la figure 6 la résistance doit être relativement élevée pour minimiser le courant d'ali- mentation au repos, tandis qu'une valeur faible est souhai- table pour diminuer l'importance des transitoires de cou- rant de base pendant la commutation du circuit d'attaque. (C) Pour que les équations particulières pour RON données précédemment demeurent valides, il estnécessaire de faire en sorte que les interrupteurs pour MANA fonctionnent en régime non saturé L'interrupteur pour MANA qui constitue la terminaison du réseau en échelle, avec tous les inter- rupteurs pour VREF à l'état conducteur, représente le cas le plus défavorable. On doit considérer les inégalités suivantes: VG SA VTA > VDSA > D -D VREF VTA > VDSA Ceci signifie que IDS doit 6 tre suffisamment faible pour que: VDS x V Dsv > VDD (VREF v DSV) V > VDSV VDD v REF VT VD Sv > VD Sv VREF max Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées aux modes de réalisation décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention - REVENDICATIONS 1 Dispositif utilisable dans un convertisseur nu- mérique-analogique du type comprenant un ensemble de paires d'interrupteurs 010 CMOS attaquées de façon complémentaire, se rapportant respectivement à une tension de: référence VREF et à une masse analogique MANA, ce dispositif ayant pour but d'assurer une bonne adaptation entre les résistances à l'état conducteur des paires d'interrupteurs, sur une plage étendue de valeurs de VREF, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de tension de grille (Q 1 Qll) comportant des moyens qui produisent une tension de grille d'interrupteur MANA qui varie sous l'effet de changements de VREF. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur (Q 1, Q 11 l) produit une tension cor- respondant à VDD VREF, en désignant par VDD la tension d'alimentation. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le générateur comprend un circuit de sortie ayant un transistor (Q 11) qui introduit une composante VB dans le signal de sortie; et un circuit de compensation pour ce gé- nérateur qui comprend un second transistor (QI) appliquant au premier transistor un signal d'entrée ayant une composan- te VBE qui annulel' effet de la première composante VBE sur le tension de grille généréeo 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur comprend des circuits destinés à produire à la fois des tensions de grille pour les interrup- teurs pour VREF et pour MANA; et ces circuits comprennent des moyens à transistors (Q 1) qui introduisent des facteurs VBE correspondants dans les deux tensions de grille, afin d'éviter des effets de VBE. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les interrupteurs pour VREF et pour MANA de cha- que paire ont des rapports largeur/longueur identiques. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les interrupteurs pour VREF et pour MANA de chaque paire ont la meme taille. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les interrupteurs pour VREF et pour MANA occupent des caissons p séparés. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérise en ce que la tension de grille à l'état conducteur de l'in- terrupteur pour MANA est VDD VREF, et la tension de grille à l'état conducteur de l'interrupteur pour VREF est VDD'