Brevet FR2563347A1 — publié le 19851025

I PERFECTIONNEMENT AUX COMPARATEURS AVEC CIRCUIT DE VERROUILLAGE ET CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMERIQUE UTILISANT DE TELS COMPARATEURS La présente invention concerne les comparateurs avec circuit de verrouillage destinés à comparer une tension analogique à une tension de référence et plus particulièrement un perfectionnement au circuit de verrouillage. La présente invention concerne aussi l'application de ces comparateurs à circuit de verrouillage à un convertisseur ana- Iogique-numérique rapide à structure parallèle. On décrira donc la présente invention en se référant à un tel convertisseur. De manière connue, un convertisseur analogique- numérique rapide de n bits comporte 2n-1 comparateurs de tension nmrso définissant les 2n niveaux élémentaires par lesquels est quantifié le signal analogique d'entrée. On a représenté sur la figure 1 un mode de réalisation d'un comparateur de l'art antérieur réalisé en technologie bipolaire et utilisé, par exemple, dans un convertisseur analogique-numérique de n bits, comparateur auquel s'applique la présente invention. Ce comparateur est constitué principalement par un circuit de comparaison 1 formé des transistors T0 et T1 montés en étage différentiel et par un circuit de verrouillage 2 formé des transistors T4 et T5 montés en bascule bistable à rebouclage direct. De manière plus spécifique, les transistors T4 et T5 sont des transistors à deux émetteurs. L'un des émetteurs de chaque transistor T4, T5 est relié respectivement au collecteur des transistors TO, T1 dont les émet- teurs sont reliés ensemble et dont les bases reçoivent respec- tivement la tension analogique à comparer et la tension de réfé- rence, comme cela sera expliqué de manière plus détaillée ci-après. Les deux autres émetteurs des transistors T4, T. sont reliés ensemble. De plus, la base de chaque transistor T4, T5 est connectée respectivement au collecteur de l'autre transistor T5, T4 de manière à former la bascule bistable. Le courant disponible pour les paires de transistors To, T1 et T4, T5 est fourni par la source de courant I et est aiguillé vers l'une ou l'autre paire par l'intermédiaire d'un circuit de commutation constitué des deux transistors T2, T3 couplés par leurs émetteurs de manière à former un étage différentiel. Pour réaliser l'aiguillage du courant vers l'une ou l'autre paire de transis- tors To, T1 et T4, T5, les transistors T2, T3 reçoivent sur leur base une tension de commande ST dont le signe s'inverse. D'autre part, pour obtenir une petite quantité d'hystérésis déterminée de manière à minimiser l'erreur introduite par les oscillations à bas niveau et le bruit, tout en donnant une résolution satisfaisante, une source de courant 3 est connectée aux émetteurs des transistors T4, T5. Ainsi, le circuit de comparaison lorsqu'il est utilisé dans un convertisseur analogique-numérique de n bits reçoit d'une part sur la base du transistor TO le signal analogique à convertir en une valeur numérique binaire de n bits et d'autre part, sur la base du transistor T1, une tension de référence qui est une fraction, exprimée en multiples de 1/2n, d'une tension de référence générale. La tension de référence est établie, dans le mode de réalisation représenté, à l'aide d'un pont diviseur résistif de grande précision, formé de 2n résistances en série, de valeur commune RO et alimenté par la tension de référence globale. Une prise intermédiaire est prévue entre deux résistances RO en fonction du rang du comparateur dans le convertisseur. Cette prise est reliée à la base du transistor T1 pour lui amener une tension de référence correspondante qui est une fraction, multiple de 1/2n, de la tension de référence globale. Les sorties de la bascule bistable formée par les transistors T4, T5 fournissent aux bornes des résistances de charge R1, un niveau logique binaire indiquant si le signal analogique est supérieur ou inférieur à la tension de référence. Les sorties de la bascule bistable sont appliquées par l'inter- médiaire de transistors T6, T7 montés en portes logiques vers un circuit logique d'encodage de type connu qui n'a pas été représenté sur la figure 1 et qui fournit un mot de n bits représentatif du signal 3 2563347 analogique. Pour réaliser un convertisseur analogique-numérique de n bits, on associe en parallèle 2n-1 comparateurs du type ci-dessus. Les convertisseurs réalisés avec ce type de comparateurs sont des convertisseurs grande vitesse qui présentent l'avantage d'avoir une faible consommation et de pouvoir être réalisés sous forme de circuits intégrés sur une surface relativement faible. En effet, lorsque Je circuit de verrouillage est constitué par une bascule bistable, comme représenté sur la figure 1, on réalise une économie de courant puisque seule la source de courant I est nécessaire pour commander les deux circuits du comparateur. Toutefois, il est alors nécessaire de controler très soigneusement la chute de tension dans les résistances de charge R1. Si R1 est trop élevée, il y a saturation des transistors T4 ou T5 et si R1 est trop faible, on obtient un taux de réaction insuffisant pour mémoriser un faible déséquilibre de courant correspondant à un faible écart de tensions d'entrée. D'autre part, la possibilité de variation de tension admissible avant saturation est réduite par le comportement logarithmique des jonctions base-émetteur des transistors T6 et T7. En effet, quand P'un des transistors, par exemple le transistor T4, de la bascule est bloqué, I'émetteur de T6 est parcouru par le courant de base de T5 alors que l'émetteur de T7 est parcouru par le courant collecteur de T5 d'o une différence de tension de q og # 125 mV o: kT représente le potentiel thermodynamique et fi le gain en q courant des transistors. Cette différence de tension doit être déduite de la dynamique sur le circuit de verrouillage. En conséquence, on constate que la dynamique admissible ne peut dépasser environ 350 mV à la température ambiante et encore moins aux températures plus élevées si l'on veut éviter la saturation. En fait, il n'est pas possible, avec les circuits de verrouillage à rebouclage direct de l'art antérieur, d'avoir à la fois un taux de réaction suffisamment fort et une dynamique suffisamment faible pour éviter la saturation quelle que soit la température. La présente invention a donc pour but de remédier aux inconvénients cidessus dans les comparateurs à circuit de verrouil- lage à rebouclage direct. En conséquence, la présente invention a pour objet un compa- rateur avec circuit de verrouillage réalisé en technologie bipolaire et comportant au moins un circuit de comparaison et un circuit de verrouillage constitué par au moins deux transistors montés en bascule bistable à. rebouclage direct dont chacune des sorties est reliée à une résistance de charge et à un transistor de liaison, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un circuit antisaturation monté en parallèle sur chaque ensemble résistance de charge- transistor de liaison, et un circuit de polarisation fournissant entre la base du transistor de-liaison et le circuit antisaturation corres- pondant une différence de potentiel évitant la saturation des tran- sistors montés en bascule bistable. Selon un mode de réalisation préférentiel, le circuit antisa- turation est constitué par un transistor bipolaire dont le collecteur est relié au collecteur du transistor de liaison, la base au circuit de polarisation et l'émetteur à une des sorties de la bascule. D'autre part, le circuit de polarisation est constitué, de préférence, par un circuit de simulation reproduisant la partie conductrice du circuit de verrouillage muni du circuit antisatu- ration auquel est appliquée la différence de potentiel évitant la saturation et dont le transistor formant la moitié de la bascule bistable est polarisé, à travers un transistor intermédiaire identique, par une souce de courant de valeur égale à la source de courant polarisant le circuit de verrouillage du comparateur. De plus, le courant base du transistor formant la moitié de la bascule bistable choisi pour maintenir ledit transistor juste en début de saturation ou hors saturation est comparé, après passage dans un miroir de courant, au courant de base de ce transistor intermédiaire, toute différence de courant créant une variation de tension envoyée sur un étage différentiel donnant en sortie la différence de potentiel évitant la saturation pour rééquilibrer le courant de base du transistor formant la moitfié de la bascule bistable. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation préférentiel faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1, déjà décrite, est un schéma électrique d'un comparateur de J'art antérieur, et - la figure 2 est un schéma électrique partiel d'un conver- tisseur analogique-numérique comprenant des comparateurs et un circuit de polarisation conformes à la présente invention. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. Sur la figure 2, on a représenté notamment un étage compa- rateur d'un convertisseur analogique-numérique rapide à structure parallèle. L'étage comparateur représenté comporte un circuit de comparaison 1 et un circuit de verrouillage 2 identiques aux circuits de comparaison et de verrouillage du comparateur de la figure 1. En conséquence, ces circuits ne seront pas redécrits. D'autre part, on a représenté sur la figure 2, un mode de réalisation de la partie codage qui peut être associée avec Je comparateur. En fait, puisque les différents étages comparateurs sont montés en parallèle, les transistors de liaison T6, T7 mont's en porte logique sont des transistors à deux émetteurs, l'un des émetteurs étant connecté respectivement à une sortie de la bascule bistable et l'autre émetteur étant connecté à une sortie du com- parateur précédent pour Je transistor T6 et à une sortie du compa- rateur suivant pour le transistor T7. Ces connexions sont repré- sentées par des tirets sur la figure 2. Les collecteurs des transistors T6 et T7 sont reliés respectivement à une source de tension positive Vcc par l'intermédiaire d'une résistance de charge R2 et à la base des transistors de sortie Ti0 et Ti, montés en collecteur commun. Les transistors Ti0 et TIl sont des transistors à émetteurs mul- tiples. Les émetteurs sont reliés à n lignes de sortie correspondant aux bits quantifiés du mot de donnée que représente les transistors TiO et T11. Conformément à la présente invention, un circuit antisatu- ration est monté en parallèle sur chaque ensemble résistance de charge-transistor de liaison. Selon le mode de réalisation représenté à la figure 2, ce circuit antisaturation est constitué par un transistor bipolaire T8, T9 respectivement à deux émetteurs qui sert à controler le potentiel bas sur les collecteurs de T4, T5 respec- tivement et ainsi à les maintenir en dehors de la zone de saturation. De manière plus spécifique, Je collecteur du transistor Tg est connecté au collecteur du transistor T6, un de ses émetteurs étant connecté au collecteur du transistor T4 et l'autre émetteur étant connecté à une sortie du comparateur précédent. De même, le collecteur du transistor T9 est connecté au collecteur du transistor T7, un de ses émetteurs étant connecté au collecteur du transistor T5 et l'autre émetteur étant connecté à une sortie du comparateur suivant. Une différence de potentiel VA - VB permettant d'éviter la saturation des transistors T4 ou T., comme cela sera expliqué ci- après, est appliquée entre les bases reliées ensemble des transistors T6 et T7 et les bases reliées ensemble des transistors T8 et T9. Cette différence de potentiel est obtenue en sortie d'un circuit de polarisation 3 qui, dans le mode de réalisation représenté, est commun à tous les comparateurs. Le circuit de polarisation 3 représenté comporte princi- palement un circuit simulant la partie conductrice du circuit de verrouillage. Le circuit de simulation est constitué des transistors T4, T'6, T'7, T'8 qui sont rigoureusement identiques aux transistors T4, T6, T7, Tg et connectés de la même manière pour obtenir cette partie conductrice. La partie comportant des transistors bloqués n'intervient pas dans le fonctionnement et n'est donc pas reproduite. Le circuit de simulation est chargé par les deux résistances R3 qui sont égales à ú R1 avec E 41 et) 1. D'autre part, le circuit de 7 2563347 simulation est connecté par l'intermédiaire du transistor T12 iden- tique au transistor T4 à la source de courant I + J qui est elle-même égale aux sources de courant I et 3 polarisant les étages compa- rateurs. D'autre part, Jes bases des transistors P6 et T'7 reliées ensemble et la base du transistor T'8 sont reliées respectivement aux points A et B par l'intermédiaire des diodes D2 et D1 qui assurent une simple. translation de niveau. En conséquence, la tension VA - VB appliquée entre les bases des transistors T6, T7 et les bases des transistors T8, T9 est aussi appliquée entre les bases des transistors TP6 et T7 et la base du transistor T'8. De plus le collecteur de T'7 est relié à un miroir de courant M dont la sortie est connectée à la base du transistor T12. Ce miroir de courant est constitué de manière connue par des transistors PNP 13, 14, 15 lorsque les autres transistors sont des transistors NPN comme dans le mode de réalisation représenté. De manière plus spécifique, la base du transistor T14 est reliée au collecteur du transistor T13 lui-même relié au collecteur de P7' L'émetteur de T14 est connecté au collecteur de T15. De plus le collecteur de T14 est relié à la base de T12 et l'émetteur de T13 est relié par l'intermédiaire d'une résistance de charge R4 à la tension de polarisation Vcc. D'autre part, la base de T13 est reliée à la base et au collecteur de T15 dont l'émetteur est relié par l'intermédiaire d'une résistance de charge R5 à la tension de polarisation Vcc. Le gain k du miroir de courant est choisi inférieur à 1, comme cela sera expliqué ci-après. Pour s'affranchir des écarts sur les gains en courant et l'imprecision du miroir, on prend de préférence k = 1/2. D'autre part, l'émetteur de T12 est relié à une entrée d'un étage différentiel constitué par les transistors T16 et T17 couplés par leurs émetteurs et alimentés par la source de courant 12. L'autre entrée de l'étage différentiel, à savoir la base de T16, est reliée à la masse. De plus, des résistances de contre réacticn R8 sont prévues en série avec les émetteurs des transistors de l'étage différentiel 8 2563347 pour assurer la stabilité du circuit de polarisation. Chaque sortie de J'étage différentiel, à savoir les collecteurs de T16 et T17, est reliée respectivement à la tension VCc par l'intermédiaire d'une résistance de charge R9 et à la base d'un des transistors T18, T19 dont les collecteurs sont reliés à la tension Vcc et dont les émetteurs sont connectés respectivement aux points B et A. De plus, des sources de courant I1 polarisent les transistors T18, Ti9 et les diodes D1 et D2 avec des courants déterminés et égaux pour qu'il n'y ait pas d'écart dans Jes chutes de tension. D'autre part, pour faciliter la mise en marche du circuit de polarisation et éviter un verrouillage intempestif de l'ensemble, une diode D3 est connectée entre la masse et la base du transistor T12. Cette diode D3 est bloquée en fonctionnement normal. De plus, une capacité C est aussi prévue entre la base du transistor T12 et la masse pour fixer le p8le dominant du circuit de polarisation. On expliquera maintenant de manière plus détaillée Je fonc- tionnement des circuits décrits ci-dessus. Pour engendrer une différence de potentiel VA - VB suffisante pour éviter la saturation des transistors T4 ou T5 des circuits de verrouillage, on choisit pour T'4 un couranrit de base juste suffisant pour que '4 entre en saturation et on effectue la comparaison des courants de base des transistors identiques T4 et T12. En fait, avec Je circuit décrit ci-dessus, les transistors T'4 et T12 sont parcourus par Je même courant I + J (on suppose que le gain encourant en base commune, / 1). Le courant de base de-T12 est donc I + J avec / le gain en courant de T12. P D'autre part, le courant de base de T'4 est recopié par l'intermédiaire de T17 dans le miroir M de gain k (. Si les deux courants de base ne sont pas dans le rapport k, il y a variation de la tension au point C. Cette variation est transmise sur la base de T7Ipar l'intermédiaire de T12, ce qui crée une tension différentielle aux bornes des résistances R9 par l'inter- 9 2563347 médiaire de l'étage différentiel T16, T17, 12. Cette tension diffé6- rentielle est recopiée par les transistors à -émetteurs suiveurs Ti$, T19 et modifie la différence de potentiel VB - VA qui polarise les 2n-1 circuits de verrouillage. Ainsi, un courant de base de T4 trop élevé, à savoir un courant de base mettant T4 en saturation, fait croître le potentiel en C. Il en résulte une décroissance du potentiel de A et une croissance du potentiel de B. Le transistor T'r fournit alors du courant au collecteur de T4 qui devient non saturé. Le courant de base de T34 diminue alors, ce qui rétablit J'équilibre. Cet équilibre s'établit à un niveau déterminé par le gain k du miroir M. En effet, le degré de saturation de T'4 est tel que ___ _ IC/IB (T12> = IB(T4) 1 p forcé T'4 IC/IB((4) IB (2) On pourrait donc prendre k tout juste inférieur à 1. Toutefois, comme mentionné ci-dessus, on choisit de préférence k = 112 Ainsi le degré de saturation de T'4 est tel que P'B 1 IC k c'est-à-dire que le courant de base de T14 est égal à deux fois le courant de base d'un transistor non saturé, à savoir Ti2, parcouru par le même courant, ce qui correspond à une légère saturation pour T'4. D'autre part, pour que les transistors T4 et T5 des circuits de verrouillage ne stockent qu'une charge négligeable, les résistances R3 sont légèrement supérieures aux résistances R1, comme déjà mentionné. Ainsi avec le circuit de polarisation décrit ci-dessus, il est possible d'obtenir entre A et B une différence de potentiel VA - VB qui prend en compte les variations de température et toutes les dispersions possibles affectant la fabrication puisque Je circuit de polarisation est réalisé sur le même substrat que le convertisseur avec des éléments identiques. 2 REVENDICATIONS 1. Un comparateur avec circuit de verrouillage réalisé en technologie bipolaire et comportant au moins un circuit de compa- raison (1) et un circuit de verrouillage (2) constitué par au moins deux transistors (T4, T5) montés en bascule bistable à rebouclage direct dont chacune des sorties est reliée à une résistance de charge (R1) et à un transistor de liaison (T6, T7), caractérisé en ce qu'il comporte de plus un circuit antisaturation (T8, T9) monté en parallèle sur chaque ensemble résistance de charge-transistor de liaison, et un circuit de polarisation (3) fournissant entre la base du transistor de liaison (T6, T7) et le circuit antisaturation (Tg, T9) correspondant une différence de potentiel évitant la saturation des transistors (T4, T5) montés en bascule bistable. 2. Un comparateur avec circuit de verrouillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit antisaturation est constitué par un transistor bipolaire (T8, T9) dont le collecteur est relié au collecteur du transistor de liaison, la base au circuit de polarisation et l'émetteur à une des sorties de la bascule. - 3. Un comparateur avec circuit de verrouillage selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce que le circuit de polarisation (3) est constitué par un circuit de simulation (14I T'8, T6, T'7) reproduisant la partie conductrice du circuit de verrouillage muni du circuit antisaturation auquel est appliquée la différence de potentiel évitant la saturation et dont le transistor formant la moitié de la bascule bistable est polarisé à travers un transistor intermédiaire (T12) identique par une source de courant (I + 3) de valeur égale à la source de courant polarisant le circuit de verrouillage du comparateur et en ce que le courant base du transistor (Tr4) formant la moitié de la bascule bistable choisi pour maintenir ledit transistor juste en début de saturation ou hors saturation est comparé, après passage dans un miroir de courant (M) au courant de base du transistor intermédiaire (T12), toute diffé- rence de courant créant une variation de tension envoyée sur un étage différentiel donnant en sortie ladite différence de potentiel évitant la saturation pour rééquilibrer le courant de base du transistor (T4) formant la moitié de la bascule bistable. 4. Un comparateur avec circuit de verrouillage suivant la revendication 3 caractérisé en ce que le miroir de courant (M) présente un gain k inférieur à 1. 5. Un comparateur avec circuit de verrouillage suivant la revendication 4 caractérisé en ce que le gain k est choisi égale à 1/2. 6. Un comparateur avec circuit de verrouillage selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'un étage amplificateur (T18, T19) est prévu sur chaque sortie de P'étage différentiel (T16, T17). 7. Un comparateur avec circuit de verrouillage selon llune quelconque des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que les résistances de charges (R3) du circuit de simulation sont égales à fois les résistances de charge du circuit de verrouillage avec Fi et> 1. 8. Un comparateur avec circuit de verrouillage selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'il com- porte une diode (D3) montée entre la masse et la base du transistor intermédiaire (T12) pour éviter Je blocage du circuit de polarisation (3) lors de la mise en marche. 9. Un comparateur avec circuit de verrouillage selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il com- porte un condensateur (C1) monté entre masse et base du transistor intermédiaire (T12) pour assurer la stabilité du circuit de polari- sation. 10. Un comparateur avec circuit de verrouillage selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que l'étage différentiel (T16, T17) comporte des résistances (R8) de contre- réaction d'émetteur pour assurer la stabilité du circuit de polari- sation; 11. Un convertisseur analogique-numérique comportant 2n-1 étages comparateurs comprenant chacun au moins un circuit de 12 2563347 comparaison, un circuit de verrouillage constitué par au moins deux transistors montés en bascule bistable à rebouclage direct dont chacune des sorties est reliée à une résistance de charge et à un transistor de liaison avec un circuit antisaturation monté en paral- lèle sur chaque ensemble résistance de charge-transistor de liaison et un circuit d'encodage, un circuit de polarisation selon l'une quelconque des revendications 3 à 10 commun à tous les étages comparateurs fournissant entre la base des transistors de liaison et la base des transistors antisaturation correspondants une différence de potentiel évitant la saturation des transistors montés en bascule bistable.