Brevet FR2600470A1 — publié le 19871224

OSCILLATEUR COMMANDE PAR TENSION AYANT UNE PHASE DE DEMARRAGE ET UN RAPPORT CYCLIQUE PRECIS La présente invention concerne les oscillateurs commandés par tension, et elle porte plus particulièrement sur 5 des oscillateurs commandés par tension qui sont prévus pour l'utilisation dans des systèmes à boucle de verrouillage de phase. L'invention porte encore plus précisément sur un oscillateur commandé par tension prévu pour l'utilisation dans un circuit de séparation de données à boucle de verrouillage de 10 phase utilisé dans des systèmes de mémoires à disques. Dans des systèmes de mémoires à disques, on enregistre de façon caractéristique de l'information sur des disques magnétiques sous la forme d'impulsions de données combinées avec des impulsions d'horloge. Pour lire de l'information sur 15 le disque, on applique des signaux provenant d'une tête magnétique à un circuit de synchronisation de données qui produit un signal d'horloge récupéré, sur la base de la détection d'impulsions de données et d'horloge. Le signal d'horloge récupéré correspond à la cadence d'impulsions des signaux lus sur le disque, et on l'utilise pour séparer les impulsions de données et les impulsions d'horloge. La génération du signal d'horloge récupéré s'effectue au moyen d'un système à boucle de verrouillage de phase. Le système à boucle de verrouillage de phase utilise de façon caractéristique un oscillateur com25 mandé par tension, qui est commandé de façon à produire un signal de sortie ayant une fréquence égale à la cadence de données. Le signal d'entrée de l'oscillateur commandé par tension est un signal de commande représentatif de l'erreur de phase entre le signal entrant qui provient du disque et le signal de sortie de la boucle de verrouillage de phase. Des oscillateurs commandés par tension de l'art an5 térieur, prévus pour l'utilisation dans des séparateurs de données, comprennent de façon caractéristique un amplificateur inverseur qui est connecté à un réseau de réaction résonnant, tel qu'un réseau LC. Le réseau de réaction comprend un varactor et la tension qui est appliquée au varactor détermine la 10 fréquence d'oscillation. Le signal de sortie de l'amplificateur est le signal de sortie de l'oscillateur. Bien que de tels oscillateurs soient généralement acceptables, ils présentent plusieurs défauts. Premièrement, le rapport cyclique de l'oscillateur n'est pas équilibré, c'est-a-dire que les ni15 veaux de signal haut et bas pour chaque cycle n'ont pas des durées égales. Secondement, de tels oscillateurs présentent de façon caractéristique un retard de démarrage avant d'atteindre le phase de fonctionnement désirée, du fait qu'au démarrage les oscillations ont une amplitude faible qui augmente lente20 ment. L'invention porte sur un oscillateur commandé par tension qui présente un rapport cyclique extrêmement précis et qui peut être commandé de façon à démarrer précisément en phase avec un signal d'entrée. Du fait qu'on dispose d'un si25 gnal de sortie ayant un rapport cyclique de 50%, on peut utiliser ce signal pour commander des fonctions de synchronisation de données qui, en l'absence de cette caractéristique, auraient dû être commandées d'une manière différente. L'oscillateur comprend un amplificateur inverseur et une boucle de réaction à réseau résonnant. L'amplificateur inverseur oscille entre un niveau haut et un niveau bas en fonction de la valeur de son signal d'entrée provenant du réseau résonnant. L'entrée de l'amplificateur inverseur est également connectée à un comparateur auquel est appliquée une tension de référence qui est 35 précisément égale à la tension de seuil de l'amplificateur in- verseur. Du fait que le signal d'entrée de l'amplificateur est une sinusoïde très précise centrée sur la tension de seuil de l'amplificateur, le signal de sortie du comparateur sera un signal carré précis ayant un rapport cyclique de 50%. La sortie du comparateur constitue la sortie de l'oscillateur. Outre le fait qu'il fournit un signal de sortie ayant un rapport cyclique de 50%, l'oscillateur de l'invention comprend un circuit qui fait en sorte que le signal de sortie de l'oscillateur démarre précisément en phase avec un signal d'en10 tree. On réalise ceci en employant un transistor qui connecte le réseau résonnant à une tension d'alimentation, pour prépositionner la sortie de l'oscillateur. Pour faire démarrer l'oscillateur, on déconnecte la tension d'alimentation par rapport au réseau résonnant, ce qui permet le commencement d'oscilla15 tions avec la fréquence et la phase désirées. - Un aspect de l'invention porte sur un oscillateur commandé par tension destiné à produire un signal carré avec un rapport cyclique précis, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens oscillateurs destinés à produire un signal périodi20 que pratiquement symétrique par rapport à un niveau de tension central, à un premier noeud; des moyens estinés à appliquer à un noeud de référence une tension de référence pratiquement égale au niveau de tension central; et un comparateur à deux entrées ayant une première entrée connectée au premier noeud et une seconde entrée connectée au noeud de référence, le comparateur fournissant un premier niveau logique sur une sortie de ce comparateur lorsque la tension au premier noeud est supérieure à la tension au second noeud, et fournissant un second niveau logique dans le cas contraire. Un autre aspect de l'invention porte sur un oscillateur commandé par tension fonctionnant sous la dépendance d'un signal de tension appliqué à une entrée, caractérisé en ce qu'il comprend: un circuit résonnant accordable connecté à l'entrée et ayant une fréquence de résonance qui peut être mo35 difiee sous l'action d'un signal de tension appliqué à l'entrée, le circuit résonnant ayant des première et seconde bornes et des éléments de stockage d'énergie connectés aux première et seconde bornes; un amplificateur inverseur ayant une entree et une sortie et un niveau de tension de seuil, l'entrée et 5 la sortie-de l'amplificateur inverseur étant respectivement connectées entre les première et seconde bornes, ce qui fait que le circuit résonnant produit un signal pratiquement sinusoïdal dont la fréquence varie sous la dépendance du signal de tension appliqué à l'entrée; et des moyens de fixation de ni10 veau connectés à la première borne pour faire circuler un courant vers les éléments de stockage d'énergie pour qu'ils emmagasinent de l'énergie, de façon qu'au moment o les moyens de fixation de niveau cessent de conduire, le circuit résonnant commence à osciller à un point particulier prédéterminé dans 15 le cycle du signal sinusoïdal. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexes sur lesquels: La figure 1 est un schema synoptique d'un système à boucle de verrouillage de phase employant l'oscillateur commandé par tension conforme à l'invention; et La figure 2 est un schéma de l'oscillateur commandé par tension conforme à l'invention. En considérant la figure 1, on note qu'un détecteur de phase 12 d'un système à boucle de verrouillage de phase 10 reçoit un signal d'entrée provenant d'un multiplexeur 14. Le signal d'entrée est soit un signal de données formé par des impulsions provenant d'une mémoire à disques, soit un signal 30 de référence provenant d'un oscillateur à quartz. La valeur nominale de la cadence des données est égale à la fréquence du signal de référence. En l'absence de données provenant de la mémoire à disques, le signal de référence est appliqué à la boucle de verrouillage de phase, pour la faire fonctionner 35 au voisinage de la fréquence de référence. Le détecteur de phase 12 compare le signal provenant du multiplexeur avec un signal de sortie de la boucle de verrouillage de phase. On désigne le signal de sortie par l'appellation VCOCLK. Le détecteur de phase produit un signal d'erreur dont la durée est proportionnelle à l'erreur de phase entre le signal de sortie et le signal qui provient du multiplexeur 14. Ce signal d'erreur est amplifié par un amplificateur d'erreur 16 et filtré au moyen d'un filtre passe-bas 18, pour fournir une tension de commande Vc qui est représentative de l'erreur 10 de phase entre l'entrée de la boucle de verrouillage de phase et sa sortie. La tension d'erreur est appliquée à un oscillateur commandé par tension 20 qui produit un signal de sortie ayant une fréquence proportionnelle à la tension de commande d'en15 tree. L'oscillateur commandé par tension (OCT) reçoit également un signal- de fixation de niveau appelé F X', dont on décrira la fonction ultérieurement. Le signal de sortie VCOCLK de l'OCT 20 est donc un signal qui est verrouillé en phase et en fréquence sur le signal d'entrée provenant du multiplexeur 14. Pendant le 20 fonctionnement normal, le signal de sortie de l'oscillateur commandé par tension sera donc verrouillé en fréquence et en phase avec le signal d'entrée de données. On utilise ensuite le signal de sortie VCOCLK pour séparer des signaux de données et d'horloge à partir du signal qui est lu dans la mémoire à dis25 ques. La manière de procéder réelle pour la séparation des données ne fait pas partie de l'invention et on ne la décrira donc pas. On notera cependant que la technique particulière de séparation de données qui est employée repose sur l'utilisation d'un signal de sortie de l'OCT 20 qui a un rapport cyclique 30 précis. L'OCT de l'invention est conçu de façon à fournir un signal de sortie ayant un rapport cyclique très précis pour de telles applications de séparation de données. L'OCT 20 est représenté en détail sur la figure 2. La tension de commande Vc est appliquée par l'intermédiaire d'une résistance 21 à une borne d'un varactor 22 qui fait par- tie d'un réseau résonnant LC série qui comprend également une inductance 24 et des condensateurs 23, 25 et 26. Une tension de polarisation destinée à commander la fréquence centrale de l'OCT est appliquée par l'intermédiaire d'une résistance 27. 5 Ces éléments sont connectés dans une boucle de réaction d'un amplificateur inverseur 30, par l'intermédiaire d'une résistance d'entrée 32 et d'une résistance de sortie 34, et tous ces éléments sont formés de manière monolithique. L'inverseur est constitué par un transistor de type P. 36, et par un 10 transistor de type N. 38. Le signal de sortie de l'inverseur a une polarité opposée à celle de son signal d'entrée, et il commute à un seuil qui est déterminé par les dimensions de canal relatives des transistors 36 et 38. L'amplificateur inverseur 30, en combinaison avec 15 le réseau de réaction positive, forme un circuit oscillateur similaire à ceux employes dans des systèmes de l'art antérieur, et il fournit un signal de sortie au point 40. La tension qui est appliquée au varactor 22 commande la capacité de ce dernier et donc la fréquence qui est obtenue au point 40. 20 Cependant, le signal obtenu à ce point ne présente pas un bon rapport cyclique, du fait des temps de montée et de descente différents de l'inverseur, et il ne convient donc pas pour certaines applications. - L'inverseur 30 et le circuit résonnant série fonc25 tionnent d'une manière telle que le signal d'entrée de l'inverseur 30, au point 42, est une sinusoïide extrêmement précise qui est centrée sur le seuil de commutation de l'inverseur. On peut modifier la fréquence de la sinusoïde en changeant la tension qui est appliquée au varactor 22. Pour obtenir un si30 gnal carré ayant un rapport cyclique précis de 50%, on applique à une entrée d'un comparateur 44 le signal présent au point 42, et on le compare avec une tension de référence qui est fournie par le générateur de tension de référence 46. Le comparateur 44 est constitué par des transistors de type P 48 35 et 50 dont les sources sont connectées à une tension d'alimen- tation Vcc, et par des transistors de type N 52 et 54 dont les drains sont respectivement connectés aux drains des transistors 48 et 50, et dont les sources sont connectées à la masse. Le générateur de tension de référence 46 est constitué par un transistor de type P 56 et par un transistor de type N 58 dont les grilles et les drains sont interconnectés. Du fait que le signal au point 42 est une sinusoïde centrée sur le seuil de commutation de l'inverseur 30, on peut obtenir en sortie du comparateur 44 un signal carré ayant un 10 rapport cyclique précis de 50% en réglant la tension de référence fournie par le générateur 46 de façon qu'elle soit égale au seuil de commutation de l'inverseur 30. On réalise aisément ceci en fabriquant les transistors 56 et 58 de façon que leur rapport des dimensions de canal soit égal au rapport des di15 mensions de canal des transistors 36 et 38 de l'inverseur 30. Autrement dit, bien qu'il ne soit pas nécessaire que le transistor 56 ait la même taille que le transistor 36 et qu'il ne soit pas nécessaire que le transistor 58 ait la même taille que le transistor 38, le rapport des dimensions de canal des transistors 56 et 58 est égal au rapport des dimensions de canal des transistors 36 et 38. Le comparateur 44 aura ainsi un seuil de commutation précisément égal au seuil de l'inverseur 30, et ce seuil sera centré de façon précise par rapport à la sinusoïde d'entrée du comparateur 44. Le signal de sortie du comparateur sur la ligne 60 sera donc un signal carré ayant un rapport cyclique très précis, c'est-à-dire des niveaux haut et bas de durée égale. Ce signal de sortie est appliqué à un amplificateur séparateur 62 dont le signal de sortie est le signal de sortie de l'oscillateur commandé par tension 20. On sélectionne délibérement les dimensions des canaux des transistors 36 et 38 de façon qu'il existe un déséquilibre entre eux, dans le but de réduire la consommation et de minimiser le bruit de l'alimentation en alternatif. Ainsi, dans le mode de réalisation présent, la tension d'alimentation 35 Vcc est égale à cinq volts et la tension de seuil de l'inver- seur 30 est égale à environ un volt. Pour améliorer encore davantage-la symétrie du circuit résonnant et donc la symétrie de la sinusoïde qui est appliquée au comparateur, on limite le signal de sortie de l'inverseur 30 à un niveau approximatiS vement égal au double de la tension de seuil de l'inverseur, c'est-à-dire à un niveau de deux volts. Du fait que le niveau minimal du signal de sortie de l'inverseur est de zéro volt et que le seuil est d'un volt, la limitation du signal de sortie de l'inverseur à un niveau de deux volts (au lieu de per10 mettre à ce signal de monter jusqu'au niveau de cinq volts de l'alimentation) améliore encore la symétrie de la sinusoïde d'entrée. On effectue la limitation au moyen d'un limiteur de crête 64 qui comprend un transistor de type P 66 connecté à la sortie de l'inverseur 30, un transistor de type N 68 dont 15 la grille est connectée à son drain et à la grille du transistor 66, et deux transistors de type P 70 et 72 qui sont connectés entre le transistor 68 et l'alimentation. Les transistors 68, 70 et 72 forment un diviseur de tension qui polarise le transistor 66. On sélectionne la polarisation de façon que 20 le transistor 66 commence à conduire au moment o le signal de sortie de l'inverseur 30 est approximativement égal à deux volts, c'est-à-dire au double du seuil de commutation de l'inverseur. Le circuit de la figure 2 comprend également des éléments qui permettent à l'oscillateur commandé par tension d'atteindre rapidement les conditions de fonctionnement de régime permanent et de démarrer avec une relation de phase connue par rapport à un signal de commande. On réalise ceci au moyen d'un transistor de fixation de niveau 74 qui a pour 30 fonction de connecter l'entrée de l'amplificateur inverseur à la tension d'alimentation. Lorsque le transistor de fixation de niveau conduit, il emmagasine de l'énergie dans le circuit résonnant et il arrête les oscillations du circuit. Le transistor de fixation de niveau, associé à la résistance de 35 sortie 34 et à la résistance de protection d'entrée 32, qui sont toutes deux formées de façon monolithique avec les dispositifs actifs du circuit, permet d'emmagasiner suffisamment d'énergie dans le circuit résonnant pour faciliter un démarrage rapide de l'oscillateur. Lorsque le transistor 74 est blo5 qué par la suppression du signal d'attaque FTT appliqué à sa base, l'énergie qui est emmagasinée dans le circuit résonnant provoque l'apparition d'une tension à l'entrée de l'amplificateur inverseur 30, à un point prédéterminé dans le cycle du signal d'entrée sinusoïdal. Ceci permet au circuit d'osciller 10 presque immédiatement pratiquement à la pleine amplitude. Lorsque le transistor de fixation de niveau 74 est conducteur, la tension d'alimentation est appliquée à l'entrée de l'amplificateur 30 et le transistor 38 est placé à l'état conducteur. L'inductance 24 apparaît comme un court-circuit et 15 la résistance drain-source du transistor 38 est négligeable. Il en résulte que la tension aux bornes du condensateur 26 et du varactor 22 est déterminée par les valeurs relatives de la résistance 32 et de la résistance 34. Dans le mode de réalisation de l'invention qui est décrit, la résistance 32 a une va20 leur quatre fois supérieure à celle de la résistance 34. Avec une tension d'alimentation de cinq volts, on obtient approximativement une chute de tension d'environ quatre volts aux bornes de la résistance 32 et d'environ un volt aux bornes de la résistance 34. Ceci fait circuler un courant constant dans 25 l'inductance 24, pour emmagasiner de l'énergie dans celle-ci. De plus, le condensateur 26 est chargé approximativement a un niveau d'un volt, de même que la combinaison du varactor 22 et des condensateurs 23 et 25. Lorsque des.données doivent être lues, un circuit de 30 commande (non représenté) bloque le transistor 74 en synchronisme avec un signal de données. Ceci déconnecte la tension d'alimentation par rapport à l'entrée de l'amplificateur inverseur 30. Du fait que de l'énergie est emmagasinée dans le condensateur 26 et dans la combinaison série des condensateurs 35 23 et 25 et du varactor 22, le niveau d'un volt à leurs bornes est appliqué à l'entrée de l'amplificateur inverseur 30. Ce niveau d'un volt est approximativement égal à la tension de seuil de l'amplificateur 30, et des oscillations au niveau de régime permanent commencent presque immédiatement. En faisant 5 varier les valeurs relatives des résistances 32 et 34, on peut commander sélectivement la phase de démarrage. En résumé, l'invention procure un oscillateur commandé par tension qui a un rapp.ort cyclique précis de 50% et qu'on peut commander de façon qu'il démarre avec une phase prédéterminée en fonctionnant pratiquement dans les conditions de régime permanent. L'oscillateur convient donc parfaitement pour l'utilisation dans une boucle de verrouillage de phase d'un séparateur de données pour des disques magnétiques. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent 15 être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Oscillateur commandé par tension (20) destiné à produire un signal carré avec un rapport cyclique précis, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens oscillateurs (22, 5 23, 24, 25, 26, 30, 32, 34, 64) destinés à produire un signal périodique pratiquement symétrique par rapport à un niveau de tension central, à un premier noeud (42); des moyens (46) destinés à appliquer à un noeud de référence une tension de référence pratiquement égale au niveau de tension central; et un comparateur à deux entrées (44) ayant une première entrée connectée au premier noeud (42) et une seconde entrée connectée au noeud de référence, le comparateur fournissant un premier niveau logique sur une sortie (60) de ce comparateur lorsque la tension au premier noeud est supérieure à la tension au se15 cond noeud, et fournissant un second niveau logique dans le cas contraire. 2. Oscillateur commandé par tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens oscillateurs (22, 23, 24, 25, 26, 30, 32, 34, 64) produisent un signal pra20 tiquement sinusoïdal. 3. Oscillateur commandé par tension selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens oscillateurs comprennent: un circuit résonnant (22-26) ayant deux bornes, avec des éléments de stockage d'énergie connectés aux bornes; et un amplificateur inverseur (30) connecté entre les deux bornes et ayant une tension de seuil pratiquement égale à la tension centrale. 4. Oscillateur commandé par tension selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens oscillateurs comprennent en outre des moyens limiteurs de crête (64) connectés à la sortie de l'amplificateur inverseur (30), pour limiter l'amplitude maximale de la tension de la sortie de l'amplificateur inverseur à une valeur approximativement égale au double de la tension centrale. 5. Oscillateur commandé par tension selon la reven- dication 4, caractérisé en ce que les moyens limiteurs de crête (64) comprennent un transistor (66) connecté entre la sortie de l'amplificateur inverseur (30) et la masse, et des moyens (68, , 72) destinés à polariser le transistor (66) pour qu'il con5 duise chaque fois que la tension de sortie de l'amplificateur inverseur (30) dépasse approximativement deux fois la tension centrale. 6. Oscillateur commandé par tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les 10 moyens destinés à fournir une tension de référence (46) et l'amplificateur inverseur (30) sont incorporés dans le même circuit intégré, et l'amplificateur inverseur (30) et les moyens destinés à fournir une tension de référence (46) comprennent chacun au moins deux transistors à effet de champ (36, 15 38; 56, 58) ayant des types de conductivité opposés, le rapport des dimensions de canal des deux transistors dans l'amplificateur inverseur (30) étant pratiquement égal au rapport des dimensions de canal des deux transistors dans les moyens destinés à fournir une tension de référence (46). 7. Oscillateur commandé par tension (20) fonctionnant sous la dépendance d'un signal de tension appliqué à une entrée, caractérisé en ce qu'il comprend: un circuit résonnant accordable (22-26) connecté à l'entrée et ayant une fréquence de résonance qui peut être modifiée sous l'action d'un signal 25 de tension appliqué à l'entrée, le circuit résonnant ayant des première et seconde bornes (42, 44) et des éléments de stockage d'énergie (22-26) connectés aux première et seconde bornes; un amplificateur inverseur (30) ayant une entrée et une sortie et un niveau de tension de seuil, l'entrée et la sortie de l'am30 plificateur inverseur étant respectivement connectées entre les première et seconde bornes (42, 40) ce qui fait que le circuit résonnant produit un signal pratiquement sinusoïdal dont la fréquence varie sous la dépendance du signal de tension appliqué à l'entrée; et des moyens de fixation de niveau (74) con35 nectés à la première borne (42) pour faire circuler un courant vers les éléments de stockage d'énergie pour qu'ils emmagasinent de l'énergie, de façon qu'au moment o les moyens de fixation de niveau (74) cessent de conduire, le circuit résonnant (22-26) commence à osciller à un point particulier pré5 déterminé dans le cycle du signal sinusoïdal. 8. Oscillateur commandé par tension selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une alimentation (Vcc) et les moyens de fixation de niveau (74) connectent la première borne (42) à l'alimentation lorsqu'ils sont conduc10 teurs. 9. Oscillateur commandé par tension selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un premier élément résistif (32) connecté à l'entrée de l'amplificateur inverseur (30) et au circuit ré15 sonnant (2226), et un second élément rêsistif (34) connecté à la sortie de l'amplificateur inverseur et au circuit résonnant; et en ce que la valeur des éléments résistifs (32, 34) détermine le point dans le cycle du signal sinusoïdal auquel le circuit résonnant (22-26) commence à osciller lorsque les 20 moyens de fixation de niveau (74) cessent de conduire. 10. Oscillateur commandé par tension selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'un des éléments de stockage d'énergie est un condensateur (26) qui est connecté entre l'une des bornes de sortie et la masse, de façon 25 que lorsque les moyens de fixation de niveau (74) conduisent, le condensateur se charge à un niveau de tension qui apparaît dans le cycle du signal sinusoïdal.