Brevet FR2542526A1 — publié le 19840914

La présente invention concerne les oscillateurs à quartz, en particulier ceux qui produisent un train numérique d'impulsions d'horloge, et elle porte plus particulièrement sur des oscillateurs utilisant la technologie des transistors MOS (Métal-Oxyde-Semiconducteur) ou d'autres transistors à effet de champ, dans une forme qui est adaptée à l'intégra- tion avec d'autres sections d'un plus grand circuit numérique MOS intégré. Il existe de nombreux circuits-destinés à traiter des signaux électriques numériques, comme des signaux de télécommunications, dont le fonctionnement exige des impi 3 'l- sions d'horloge On produit de façon caractéristique de{-' telles impulsions d'horloge au moyen d'un circuit oscillateur qui comprend un dispositif amplificateur et un générateur de fréquence de résonance fondamentale, comme un cristal de quartz, connecté sous la forme d'un élément série ou shunt dans un réseau de réaction qui est connecté aux bornes du dispositif amplificateur. Les circuits qui fonctionnent en un mode de redis- tribution de charge, ou de condensateur commuté, sont géné- ralement des circuits MOS et exigent pour leur fonctionnement un train d'impulsions d'horloge fourni par un oscillateur Il est souhaitable que cet oscillateur soit intégré sous la for- me d'un sous-circuit sur le même substrat. Des développements récents dans la conception de circuits MOS ont conduit à des règles de conception corres- pondant à de plus petites tailles, c'est-à-dire de plus petites dimensions pour les dispositifs et leurs éléments d'interconnexion Ceci permet d'intégrer davantage de dispo- sitifs sur une seule puce La densité de dispositifs accrue sur une puce s'accompagne du problème d'une dissipation de puissance notablement accrue Il en résulte que la puissance dissipée d'un circuit impose fréquemment une limitation sur la densité d'intégration des dispositifs sur la puce La nécessité de réduire la dissipation de puissance a conduit à préférer de plus faibles tensions d'alimentation pour les circuits Il existe un besoin concernant un oscillateur à quartz capable de fonctionner à ces tensions d'alimentation inférieures. L'oscillateur original conforme à la présente invention comprend un étage oscillateur de base, un étage comparateur et un étage de sortie Chacun de ces étages com- porte un noeud d'entrée et un noeud de sortie Le noeud d'entrée de l'étage comparateur est connecté au noeud d'entrée de l'étage oscillateur de base, celui-ci étant le noeud d'entrée du dispositif amplificateur dans cet étage. Ceci conduit à ce que la tension de seuil de l'étage compa- rateur suive de façon plus précise la composante continue de sa tension d'attaque, ce qui améliore le rapport cyclique de l'oscillateur complet. Une autre caractéristique de l'oscillateur consiste en ce que l'étage comparateur comprend un dispositif de char- ge qui est connecté avec une charge de source Ceci améliore encore davantage la façon dont le seuil du comparateur suit les conditions de polarisation de l'étage oscillateur de base et raccourcit le temps de variation de la tension de sortie de l'étage comparateur jusqu'à la tension de seuil de l'étage de sortie Ces deux avantages contribuent à améliorer la maîtrise du rapport cyclique du signal de sortie carré Le dispositif à charge de source peut utiliser un circuit de polarisation commun avec l'étage oscillateur de base si le dispositif amplificateur dans cet étage est connecté de façon à inverser le signal en le transmettant Selon une variante, il peut être attaqué à la manière d'une charge active, en étant connecté au noeud de sortie de l'étage oscillateur de base, si le dispositif amplificateur dans cet étage est connecté de façon à inverser le signal en le transmettant. 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 La figure 1 est un schéma d'unoscillateur conforme à un exemple de l'invention. La figure 2 est un schéma d'un oscillateur conforme à un autre exemple de l'invention, dans lequel l'oscillateur de la figure 1 est modifié de façon que l'étage comparateur comprenne un transistor de charge actif. L'oscillateur 10 de la figure 1 comprend une ligne d'alimentation 12 fournissant une tension positive et une ligne d'alimentation 14 connectée à la masse Un oscillateur de base 16, tel qu'un oscillateur de type Pierce ou de type Colpitts, un comparateur 18, et un circuit de sortie TTL, , connectés dans cet ordre entre les lignes d'alimentation 12, 14 Tous les transistors Ml Mll de l'oscillateur 10 sont des dispositifs MOS à canal de conduction de type de conductivité N Les transistors Ml, M 3, M 6, M 8 et Mll sont des dispositifs à mode d'enrichissement Les transistors restants sont des dispositifs à mode de déplétion La ligne d'alimentation positive 12 est à une tension VDD La matière constituant le volume de tous les transistors fait partie du volume du substrat et est à la tension VSS, qui a une valeur moins positive que VDD et serait généralement du même ordre de grandeur que VDD, mais avec un signe opposé. L'étage oscillateur de base 16 comprend un ampli- ficateur inverseur formé par les transistors Ml et M 2 Le transistor Ml est un transistorde transconductance dont la source est connectée à la ligne d'alimentation 14 reliée à la masse et dont le drain est connecté à la source et à la grille du transistor de mode de déplétion M 2 Le drain du transistor 'de mode de déplétion M 2 est connecté à la ligne d'alimentation positive 12. Un réseau de-polarisation polarise l'inverseur faisant partie de l'étage oscillateur de base 16 à un état initial dans lequel il a un gain supérieur à l'unité La capacité sur la puce et la capacité répartie sont suffisantes pour produire le déphasage supplémentaire dans la boucle de réaction qui est nécessaire pour que l'oscillation se produi- se Le réseau de polarisation comprend le transistor de mode de déplétion M 4, dont le drain est connecté à la ligne d'ali- mentation positive 12 et dont la grille et la source sont connectées à la grille et au drain du transistor de mode d'enrichissement M 3, la source de ce dernier étant connectée à la ligne d'alimentation 14 reliée à la masse Les transis- tors M 4, M 3 ont pour fonction de fixer la tension continue sur la grille du transistorde transconductance Ml Un tran- sistor de mode de déplétion M 5, qui est branché dans le cir- cuit sous la forme d'un élément résistif,à deux bornes du réseau de polarisation, est relié par son drain à la source du transistor M 4 et est relié par sa grille et sa source à la grille du transistor de transconductance MI Le noeud 21 sur la grille du transistor Ml est considéré comme le noeud d'entrée de signal pour l'inverseur et pour l'étage oscilla- teur de base 16 lui-même, tandis que le noeud 22, au drain du transistor Ml et à la source du transistor M 2, est consi- déré comme un noeud de sortie de signal de cet étage 16 Un condensateur de mise en forme du gain de boucle, 24, est connecté entre le noeud 21 et la ligne d'alimentation 14 reliée à la masse Un élément à résonance à cristal de quartz est connecté entre le noeud 21 et le noeud 22 pour pro- duire une boucle de réaction à bande étroite de façon à définir la résonance de fixation de la fréquence fondamentale pour l'étage oscillateur de base 16, ce qui conduit à la génération d'un signal approximativement sinusoïdal sur le noeud 21 Dans une application particulière, le quartz préfé- ré pour l'élément 25 est du type utilisé pour la salve de chrominance en télévision, qui a une -fréquence de résonance fondamentale de 3,5 M Hz. Le transistor M 5, qui se comporte comme une résis- tance de valeur élevée, forme un élément de blocage en haute fréquence pour augmenter la marge de gain de la boucle de réaction d'oscillation, en évitant que le réseau de polarisa- tion ne charge le noeud de signal 21 et n'abaisse le niveau sur celui-c i Cette caractéristique permet d'utiliser des rapports largeur/longueur modérés pour les canaux de conduc- tion dans les transistors M 3 et M 4 Ceci économise le courant de polarisation tout en assurant une correspondance étroite entre le courant de polarisation de repos de Ml et le courant du transistor M 3, ainsi qu'entre la tension drain-source du transistor M 2 et la tension drainsource du transistor M 4 A cet égard, il est important que les longueurs de canal des transistors M 1 et M 2 soient respectivement égales à celles des transistors M 3 et M 4, de façon à donner une tension de polarisation de démarrage suffisamment stable au noeud 22. Le noeud 21 de l'étage oscillateur de base 16 est connecté à la grille 26 du transistor amplificateur de mode d'enrichissement M 6, qui est la borne d'entrée de l'étage comparateur 18 Le drain du transistor amplificateur M 6 est connecté par un élément résistif de limitation d'excursion de tension 27, qui est facultatif, à la source du transistor de charge M 7, et le drain de ce dernier est connecté à la ligne d'alimentation positive 12 La grille du transistor de charge M 7 est connectée soit au noeud commun 29 des transis- tors M 4 et M 5, soit à la borne de sortie 22 de l'étage oscillateur de base Selon une variante entraînant un cer- tain désavantage en ce qui concerne le rapport cyclique de sortie final, mais un certain avantage en ce qui concerne le rendement de fabrication, cette grille peut être connectée à la ligne d'alimentation positive 12. L'étage de sortie TTL 20 comprend les quatre tran- sistors M 8, M 9, M 10, M 11 Les grilles des transistors M 8 et Mll sont connectées au noeud 28, qui est la sortie de l'éta- ge comparateur 18 Leurs drains sont connectés aux sources respectives des transistors de charge M 10, M 9, et leurs sour- ces sont connectées à la ligne d'alimentation 14 qui est reliée à la masse Les grilles des deux transistors de charge M 9, M 10 sont connectées à la source du transistor de charge M 10, et leurs drains sont connectés à la ligne d'alimentation positive 12 La source du transistor de charge M 9 et le drain du transistor de transconductance Mll mènent à une borne de sortie 30 de l'oscillateur 10 L'étage de sortie TTL 20 est caractéristique de sous-circuits utilisés à l'heure actuelle dans des circuits intégrés MOS. Il serait conforme à la conception d'oscillateurs selon l'art antérieur de connecter le noeud d'entrée princi- pal 26 de l'étage comparateur 18 au noeud de sortie 22 de l'étage oscillateur de base 16 Dans des oscillateurs de type Pierce, ce noeud de sortie 22 peut donner une amplitude de tension de signal plus élevée que le noeud 21 de l'étage oscillateur de base 16 Cependant, dans la conception de l'oscillateur 10, on considère que pour améliorer le rapport cyclique de l'oscillateur 10, il est souhaitable de faire en sorte que la tension de seuil de l'étage comparateur 18 corresponde à la tension continue en régime permanent du noeud de l'étage oscillateur de base 16 auquel le noeud d'entrée du comparateur est connecté Du fait que les tran- sistors Ml et M 6 ont des diffusions et des longueurs de canal similaires, leurs courants se suivent de façon très précise au voisinage des états de polarisation Par conséquent, un rapport cyclique pratiquement égal à 50 % pour la sortie TTL, ce qui signifie fondamentalement une tension de sortie qui demeure pendant des temps égaux au-dessus et au-dessous d'un niveau central, peut être bien déterminé par des paramètres de conception appropriés pour les divers transistors de char- ge M 4, M 3, M 2 et M 7 Ceci diffère de structures antérieures pour des oscillateurs de ce type général, dans lesquelles il était nécessaire soit de faire correspondre la tension de seuil du dispositif amplificateur du comparateur (correspon- dant aux transistors de l'étage inverseur M 6 et M 7 dans l'oscillateur 10) avec la tension continue en régime établi sur le noeud de l'étage d'oscillateur de base (correspondant au noeud 22 dans l'oscillateur 10), soit d'introduire un con- densateur de couplage en alternatif et des éléments de pola- risation supplémentaires Une telle correspondance est diffi- cile à réaliser et imprécise, du fait qu'elle dépend de l'amplitude du signal de sortie de l'oscillateur de base et est donc affectée par des non linéarités dans ce signal de sortie Le signal sur le noeud 21 est une sinusoïde plus pure que le signal au noeud 22 Dans la conception de l'oscilla- teur 10, la connexion du noeud d'entrée 26 de l'étage compara- teur 18 au noeud d'entrée 21 de l'étage oscillateur de base 16 procure une meilleure maîtrise du rapport cyclique Ceci conduit à une fiabilité accrue en ce qui concerne le rapport cyclique de la sortie TTL et permet de simplifier le circuit. Il serait également conforme à la conception d'oscillateurs selon l'art antérieur de connecter la grille du transistor de-charge M 7 de l'étage comparateur 18 à sa propre source La connexion de cette grille au noeud commun des transistors M 3 et M 4 du réseau de polarisation dans l'oscillateur 10 convertit le transistor de charge M 7 en un dispositif de charge connecté en configuration à charge de source Le terme "configuration à charge de source", appliqué à un transistor MOS, signifie ici que le drain est connecté à une tension d'alimentation, que la grille est un noeud d'entrée connecté à une tension d'entrée constante ou varia- ble, et que la source est un noeud de sortie La discordance entre le seuil du comparateur et la tension de polarisation au noeud 21 qui est produite par la variation des tensions d'alimentation est ainsi réduite Ceci-améliore la réfection du bruit de l'alimentation tout en permettant le fonctionne- ment d'une structure déterminée sur une plage étendue de ten- sions d'alimentation L'oscillateur 10 peut-fonctionner avec une tension d'alimentation totale relativement faible, descendant jusqu'à 2 volts Bien que le transistor de charge M 7 soit avantageusement un dispositif à mode de déplétion, il pourrait également se présenter sous la forme d'un dispo- E 542526 sitif à mode d'enrichissement, adapté de manières connues, sans sortir du cadre de l'invention. Une caractéristique de l'oscillateur 10 consiste en ce que l'étage oscillateur de base 16 est connecté à l'étage de sortie TTL 20 par l'intermédiaire de l'étage comparateur spécial 18, pour donner la caractéristique désirée consistant en un rapport cyclique de sortie de 50 % à quelques pour cent près Ceci rend possible dans le circuit 10 l'utilisation de la configuration de réseau Pierce avec sa propriété inhéren- te de tolérance élevée aux éléments parasites, et permet de réaliser l'ensemble du circuit oscillateur 10 en technologie MOS N, et sans problèmes de démarrage notables La fréquence d'oscillation du circuit oscillateur 10 n'est pas limitée à celle de l'élément à quartz particulier 25, qui dans ce cir- cuit particulier est extérieur au circuit intégré lui-même, et on peut effectivement faire en sorte que cette fréquence soit une autre fréquence désirée, en incorporant un autre résonateur approprié, comme un réseau de résonateur passif, entre le noeud d'entrée 21 et le noeud de sortie 22 de l'inverseur. La figure 2 montre un oscillateur 32 qui comporte des éléments désignés par les mêmes symboles de référence que ceux de l'oscillateur 10 de la figure 1 et qui est Iden- tique à tous égards, à l'exception du fait que dans l'oscil- lateur 32, la grille du transistor de charge M 7 du compara- teur 18 est connectée au drain du transistor de transconduc- tance Ml de l'étage oscillateur de base 16, ce qui corres- pond au noeud de sortie 22 de l'inverseur de l'étage oscil- lateur de base 16 Avec cette configuration, le transistor de charge M 7 est une charge active, ce qui a pour effet- d'augmenter encore davantage le rapport cyclique de l'oscil- lateur Cependant, cette configuration n'est utilisable que lorsque la tension d'alimentation positive VDD sur la ligne de tension d'alimentation positive 12 est suffisamment basse pour que la tension de grille du transistor de charge M 7 puisse tomber à un niveau qui laisse les transistors de transconductance M 8 et Mll dans leur état bloqué Si la ten- sion VDD est trop élevée, le transistor de charge M 7 fait monter à un niveau trop élevé les grilles de ces transistors de transconductance pour que le transistor M 6 puisse bloquer les transistors M 8 et Mil pendant le demi-cycle de fonction- nement suivant Il devient donc avantageux de connecter la grille du transistor M 7 comme sur la figure 1, pour établir une tension de grille maximale stable et prédéterminée pour M 7, par l'intermédiaire du réseau de polarisation. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Oscillateur électronique comprenant un étage oscillateur de base qui comporte un réseau de génération de tension de polarisation et un élément résonnant connecté à un noeud d'entrée d'un amplificateur, et un étage de sortie connecté à un étage comparateur, un noeud d'entrée de l'étage comparateur étant connecté à l'étage oscillateur de base, caractérisé en ce que le noeud d'entrée ( 26) de l'étage com- parateur ( 18) est connecté au noeud d'entrée ( 21) de l'ampli- ficateur (Ml) de l'étage oscillateur de base ( 16). 2 Oscillateur sel-on la revendication 1, caractéri- sé en ce que l'étage comparateur ( 18) comprend un transistor de charge connecté en configuration à charge de source (M 7) qui est branché entre une tension d'alimentation positive (VDD) et le drain d'un transistor amplificateur (M 6) de l'étage comparateur, et la grille du transistor de charge de l'étage comparateur (M 7) est connectée à un noeud ( 29) du réseau de-génération de tension de polarisation de l'étage oscillateur de base ( 16). 3 Oscillateur selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que l'amplificateur (Ml) est un inverseur (Ml, M 2) qui comprend un transistor de transconductance (Ml) dont la source est connectée à une source de tension d'alimentation ( 14) et dont le drain est connecté à des moyens de polarisa- tion, et le noeud d'entrée ( 21) comprend une électrode de commande (G) du transistor de transconductance (Ml). 4 Oscillateur selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que l'étage comparateur ( 18) comprend un transistor de charge connecté en configuration à charge de source (M 2) qui est branché entre une tension d'alimentation positive (VDD) et le drain d'un transistor amplificateur (M 6) de l'étage comparateur, et la grille du transistor de charge de l'étage comparateur (M 2) est connectée à un noeud ( 29) du réseau de courant de polarisation de l'étage oscillateur de base. 11: Oscillateur selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que l'étage comparateur ( 18) comprend un transistor de charge actiw (M 7) qui est connecté entre une tension d'alimentation positive et le drain d'un transistor amplifi- cateur (M 6) de l'étage comparateur,-et la grille du transis- tor de charge active (M 7) est connectée au drain ( 22) du transistor de transconductance-'(Ml).