Brevet FR2555774A1 — publié le 19850531

Ia présente invention concerne les générateurs de tension pour la polarisation du substrat de circuits intégrés à transis- tors à effet de champ et, plus précisément, un régulateur pour un tel générateur. On sait que certains circuits intégrés à transistors à effet de champ exigent que le substrat soit maintenu à un potentiel différent de l'un comme de l'autre des potentiels des pôles d'alimentation du circuit. Dans le cas des circuits intégrés à transistors MIOS (semi-conducteur à grille isolée par oxyde métal- lique) à canal n, ce potentiel doit Stre plus bas que le pôle négatif de l'alimentation. La polarisation du substrat influe sur de nombreux paramè- tres de fonctionnement, notamment sur la vitesse de réponse du circuit et sur la tension de seuil des transistors, qu'ils soient du type à appauvrissement ou à enrichissement. Elle est donc déterminée au stade du projetage, sur la base des presta- tions que le circuit doit offrir. Ordinairement, la tension de polarisation du substrat est produite et réglée par un circuit prévu à cet effet, compris dans le circuit intégré. Le circuit de régulation peut par exemple fonctionner de manière à suivre le déplacement de la tension de seuil des transistors à enrichissement par rapport à une tension de référence prédéfinie, qui peut être une fraction de la tension d'alimentation, pour commander un géné- rateur de charges relié au substrat. Au projetage d'un circuit intégré, il faut tenir compte de la dispersion des paramètres de fonctionnement, due à la variabilité intrinsèque des opérations de fabrication. Dans la pratique, il faut faire en sorte que tous les exemplaires du circuit intégré obtenus par le même procédé fonctionnent égale- ment bien. En particulier, s'agissant d'un circuit intégré à transistors MOS à canaux du même type, on peut fixer une tension de seuil des transistors à enrichissement et calculer les para- mètres du circuit de telle manière que celui-ci fonctionne correctement pour toutes les valeurs de la tension du substrat comprises dans la plage de variabilité due à la dispersion des caractéristiques des transistors. Mais d'une manière générale, un tel critère ne permet pas d'optimiser aussi les valeurs de la tension de seuil des transistors à appauvrissement: bien plus, il oblige à recourir à des compromis qui introduisent des difficultés dans le projetage et rendent souvent problématique le fonctionnement du circuit. Le but de la présente invention est de réaliser un régula- teur pour un générateur de tension de polarisation du substrat d'un circuit intégré à transistors à effet de champ, de telle manière que la tension du substrat soit réglée à une valeur optimale pour les caractéristiques des transistors des deux types et qu'elle soit le plus indépendante possible des varia- tions des paramètres de fabrication et de la tension d'alimen- tation. Ce but est atteint, d'après l'invention, avec un circuit régulateur comprenant un inverseur formé de deux transistors à appauvrissement. L'entrée de l'inverseur, c'est-à-dire l'élec- trode de grille du transistor actif, est reliée directement au substrat du circuit intégré et la sortie de l'inverseur est reliée à la borne de commande de l'oscillateur qui alimente le générateur de charges relié au substrat. Le fonctionnement de l'oscillateur est inhibé lorsque la tension du substrat dépasse un niveau prédéfini. L'invention pourra être mieux comprise à l'aide de la description qui suit de l'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple et, par conséquent, sans intention limitative, en référence aux dessins ci-annexés. Ia fig. 1 est un schéma par blocs d'un générateur de ten- sion de polarisation du substrat, pouvant contenir le régula- teur suivant l'invention. Ia fig. 2 représente un circuit utilisé dans un régulateur de type connu. Les fig. 3a et 3b sont des graphiques faisant apparaître les limites de la technique connue. la fig. 4 représente un circuit utilisé dans un régulateur suivant l' invention. Les fig. 5a et 5b sont dies courbes des caractéristiques de transfert des circuits des fig. 2 et 4. Si l'on condidère les dessins, le bloc I sur la fig. 1 re- présente le substrat d'une plaquette de matière semiconductrice sur laquelle est formé un circuit intégré, par e:remple un circuit à transistors MOS à canal n, le bloc 2 un oscillateur commandé, 0 le bloc 3 un générateur de charges négatives et le bloc 4 un détecteur de niveau, TUne source d'alimentation, non représentêe, fournit une tension d'alimentation au circuit intégré, à l'os- cillateur 2 et au détecteur de niveau 4. Les charges produites par le générateur 3 mettent le substrat 1 à une tension plus négative que celle du pole négatif de la source d2alimentation. Le détecteur de niveau 4 perçoit cette tension sur sa borne d'entrée 5 et commande l'oscillateur 2, validant ou bloquant le fonctionnement de celui-ci, au moyen de la jonction 6, eri fonc- tion de la tension détectée, de manière à alimenter ou non le générateur de charges 3 pour maintenir finalement le substrat 1 à la tension négative voulue. Dans certaines applications connues, par exemple dans celle qui est décrite dans le brevet des Etats-Unis 4 142 114, cette tension est déterminée en filrant une tension de référence qui est une fraction de la tension d'alimentation. Le détecteur de niveau décrit dans le brevet précité et représenté sur la fig. 2 comprend deux transistors à effet de champ T1 et T2, le premier du type à enrichissement et le second du type à appauvrissement, montés de manière à former un circuit inverseur. Plus précisément, le transistor T2, qui joue le rôle de résistance de charge, a son électrode de grille raccordée à son électrode de source et à l'électrode de drain du transistor Tl et son électrode de drain raccordée au pole positif VC de l'alimentation. Le transistor T1, qui joue le role de composant actif, a son électrode de source raccordée au pale négatif de la source d'alimentation, indiqué par le symbole de la masse, et son électrode de grille raccordée à la prise intermédiaire d'un divi- seur de tension formé de deux résistances R1 et R2 et inséré entre les pôles de la source d'alimentation. On notera que la jonction 5 avec le substrat 1 est intrinsèque à la structure et, pour cette raison, est représentée par une ligne de tirets sur la fig. 2, afin de la différencier des autres jonctions électri- ques. La conduction du transistor T1 est fonction de la tension VR appliquée par le diviseur entre les électrodes de grille et de source, ainsi que de sa tension de seuil VT qui est à son tour fonction de la tension VBB du substrat. La relation, bien eonnue des spécialistes, qui lie VT à VBB est la suivante. VT VTo + KBE 1 IVBBI * 0INV \ FINVX dans laquelle KBE est le coefficient d'effet "body"t, VTo est la tension de seuil du transistor lorsque VBB = 0 et 0INV est le potentiel d'inversion superficielle. En développant cette rela- tion par rapport à VBB, on obtient la valeur de la tension VBB du substrat nécessaire pour avoir une tension de seuil V donnée: |.VBBI =(VT - VTo) + - (vT - V o) (1) KBE> KBE Les valeurs des résistances R1 et R2 peuvent être choisies de manière à fournir une tension de référence VR égale à la valeur optimale que l'on veut obtenir pour la tension de seuil VT des transistors à enrichissement. Le transistor T1 cesse de conduire quand le substrat 1 atteint une tension négative, calculable par la relation (1), propre à rendre VT égale à VR. Ia borne de sortie 6 du détecteur 4 sera à un niveau de tension haut ou bas, selon la conduction du transistor T1. L'état de sortie du détecteur 4 est utilisé pour régler le temps de fonctionnement de l'oscilla- teur 2, de telle manière que la tension VBB du substrat se stabilise à une valeur négative prédéfinie qui est fonction de la tension de référence VR. Le graphique de la fig. 3a représente l'allure de la tension de seuil VT d'un transistor à enrichissement de type général formé sur le substrat 1, en fonction de la tension de polarisa- tion -VBB du substrat lui-même. A cause de la variabilité des paramètres de fabrication, la courbe pour un transistor réel sera comprise dans une bande de valeurs délimitée par deux courbes, désignées par 7 et 8 sur le dessin. S'il est fixé une tension de référence VR et, par suite, une tension de seuil VTi, la tension de polarisation du substrat VBB, réglée suivant le circuit de la fig. 1, aura une valeur comprise entre deux valeurs extrêmes V1 et V2 définies, comme le montre la fig. 3a, par les points d'intersection entre l'abscisse correspondant à la tension VTi et les deux courbes 7 et 8. L'étendue de l'interval- le V1 - V2 peut être déduite analytiquement de l'expression (1) qui lie VBB à VT, si l'on connatt les valeurs extrêmes des para- mètres variables avec les conditions opératoires. Dans la pra- tique, avec une tension de seuil VTi = 1 V correspondant à une tension de substrat idéale VBBid = -3 V, la tension VBB réelle peut varier entre -2 et -4 V. Le graphique de la fig. 3b représente la variation de la tension de seuil VT d'un transistor à appauvrissement de type général du même circuit intégré, en fonction de la tension de polarisation du substrat VBB. Dans ce cas également, la courbe réelle est comprise dans une bande de valeurs délimitée par deux courbes, dézignées par 9 et 10 T la tension de seuil d'un tran- sistor à appauvrissement réel sera comprise entre une valeur V3 définie par l'intersection de l'ordonnée correspondant à la tension V1 avec la courbe inférieure 10 et une valeur V4 définie par l'intersection de l'ordonnée de la tension V2 avec la courbe supérieure 9. Comme on le voit sur la figure, la tension VY du substrat peut être telle qu'elle rend tout bonnement positif le seuil du transistor à appauvrissement, rendant par conséquent impossible le fonctionnement correct de celui-ci. Outre cette grande variabilité des tensions de seuil effectives par rapport aux valeurs idéales de projetage, il faut aussi tenir compte, dans le calcul d'un circuit qui utilise un générateur de tension de polarisation suivant le circuit connu représenté sur la fig. 2, des variations et des fluctuations de la tension d'alimenta- tion qui ont un effet direct sur les tensions de seuil, eu égard au fait que la tension de référence VR varie avec la tension d'alimentation Vcc. Dans quelques applications, une telle dépen- dance est utile, mais elle est indésirable dans de nombreux cas. On considèrera maintenant le schéma de circuit de la fig. 4. Celle-ci représente un détecteur de niveau 4 réalisé suivant l'invention et comprenant un inverseur constitué par deux tran- sistors T3 et T4, tous deux du type à appauvrissement. Plus précisément, le transistor T4 a son électrode de grille raccordée à l'électrode de source, de manière à constituer la charge du transistor T3, lequel a par contre la fonction de composant actif. L'électrode de drain de T4 et l'électrode de source de T3 sont raccordées respectivement au pôle positif +Vcc et au p8le négatif (masse) de la source d'alimentation. Le point de jonction entre les deux transistors constitue la borne de sortie 6 du détecteur et l'électrode de grille du transistor T3 est la borne d'entrée qui, dans ce cas, est une jonction électrique directe avec le substrat 1. En service, si le gain de T3 est beaucoup plus grand que celui de T4, la tension de polarisation VB du substrat est réglée de manière à prendre la même valeur que la tension de seuil du transistor T3. En effet, si la tension VBB est moins négative que la tension de seuil du transistor T3, ce transistor est en con- duction, ce qui fait que la sortie 6 est "basse" et que l'oscil- lateur 2 est en mesure de fonctionner et d'alimenter le généra- teur 3 qui, à son tour, tend à élever la tension du substrat et, par suite, celle de l'électrode de grille du transistor T3. Lors- que la tension VBB devient plus négative que la tension de seuil de T3, ce transistor cesse de conduire, ce qui fait que la sortie 6 devient "haute" et que l'oscillateur 2 est bloqué. Comme on peut le noter, la régulation de la tension VBB est effectuée, suivant l'invention, en utilisant directement comme tension de référence la tension de seuil du transistor à appauvrissement T3, qui est une grandeur déterminée par les para- mètres de fabrication. On pourra mieux apprécier cet aspect de l'invention en considérant les courbes de transfert du détecteur de niveau 4 suivant la technique connue (fig. 2) et suivant l'invention (fig. 4). Pour simplifier les explications, on considèrera ci-après le cas dans lequel le gain des inverseurs qui constituent les détecteurs de niveau est pratiquement infini, ce qui équivaut à dire que la commutation, c'est-à-dire le passage de l'interdic- tion à la conduction ou vice-versa, des transistors T1 et T3 est pratiquement instantanée. Toutefois, l'explication est valable en principe pour n'importe quelle valeur du gain. Soient V5 et V6 les tensions, respectivement d'entrée et de sortie du détecteur de niveau 4. Dans le cas du circuit connu représenté sur la fig. 2, la commutation du transistor TI se produit lorsque la tension VBB du substrat se trouve à une valeur telle que la tension de seuil VT1 du transistor est égale à la tension de référence VR. Si l'on introduit dans la relation (1): VT = VT1 = VRet V.BB = 5, la commutation se produit à une tension 1 24% 7T-T77 - V5 Vc 2 (a - VTo(T 2+ (VR VTo(T3) +) KBE KB Comme on peut le noter, la tension d'entrée V5c à laquelle se produit la commutation dépend, non seulement du carré de la tension de référence VR mais aussi du carré de la tension de seuil du transistor T1 pour VBB = 0, indiquée par VTo(Tl)O Le graphique de la fig. 5a représente la variations de deux courbes de transfert V6 = f(V5) du détecteur de niveau connu, correspondant à deux valeurs limites que la tension VTo(TI) peut prendre à cause de la dispersion des paramètres de fabrication. Dans des exemplaires différents du circuit connu, la tension de comttoV commutation V5c et, par suite, VBB peuvent varier, comme on l'a déjà vu, par exemple entre -2 et -4 V. Si l'on considère en outre la variation possible de la tension d'alimentation (de + 10 % typiquement), la tension VBB résultante aura des variations enco- re plus grandes. On considèrera maintenant le détecteur de niveau suivant l'invention, représenté sur la fig. 4. Ia commutation du tran- sistor T3 se produit quand la tension VBB du substrat est égale à la tension de seuil VT3 du transistor T3. Si l'on suppose que, pour ce circuit, la tension d'entrée V5 = VBB et si l'on lntro- duit dans la relation (1) VT = VT3 = V5c et VTo= ETo(3 on a: i 2 If e;,, -V5 = ( + (V50 - KBE 7 5c To(T3") KBEVT qui est une équation quadratique en V5c. En résolvant cette équa- tion et en négligeant la solution imaginaire, on obtient: KB KBE2 c = VTo(T3) + BE - To(3) KBE INV+0INV B équation d'après laquelle on peut voir que la tension de commu- tation V5c est égale à la tension de seuil VTo(T3), sauf un terme à la racine carrée de cette tension et une constante. Etant donné que le coefficient KBE dans les circuits intégrés fabriqués par les procédés actuels est relativement petite, typiquement de l'ordre de 0,4 V1/2, la tension V5c s'écarte de peu de la tension de seuil VTo(T3). Dans la pratique, comme on l'a représenté sur la fig. 5b, la tension de commutation V5c et, par suite, la ten- sion VBB varient typiquement entre -2,7 environ et -3,3 V environ dans des exemplaires différents du circuit suivant l'invention. On notera enfin qu'avec le circuit suivant l'invention, la tension du substrat ne dépend pas de la tension d'alimentation. Du fait qu'il n'a été représenté et décrit qu'une seule forme d'exécution de l'invention, il est évident que de nombreu- ses variantes sont possibles dans le cadre de la même idée inventive. Par exemple, le détecteur de niveau de la tension du substrat pourrait être, au lieu d'un inverseur, un circuit de commutation d'un autre type, commandé, comme l'inverseur décrit, par un transistor à appauvrissement dont l'électrode de grille est raccordée directement au substrat. REVENDICATIONS 1. Circuit régulateur de la tension de polarisation du substrat d'un circuit intégré à transistors à effet de champ ayant des canaux d'un seul type de conductivité, comprenant deux bornes pour la connexion sur une source de tension d'alimentation, un oscillateur comportant une borne de sortie et une borne de conm- mande, un gérérateur de charges, inséré entre la borne de sortie de l'oscillateur et le substrat, propre à fournir des charges au substrat lorsque l'oscillateur est en fonctionnement, et un détecteur de niveau, sensible au potentiel du substrat et ayant une borne de sortie raccordée à la borne de commande de l'oscil- lateur, ce détecteur étant capable d'inhiber le fonctionnement de l'oscillateur lorsque le potentiel du substrat dépasse un niveau prédéfini, caractérisé en ce que le détecteur de niveau (4) comprend un transistor à appauvrissement (T3) dont!lélectro- de de grille est raccordée directement au substrat (1)i 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur de niveau (4) comprend un inverseur, inséré entre les deux bornes d'alimentation, dont le composant actif est le tran- sistor à appauvrissement (T3) et dont la charge est constituée par un second transistor à appauvrissement (T4), le point de jonction entre les deux transistors (T3, T4) étant la borne de sortie (6) du détecteur de niveau (4).