Brevet FR2619977A1 — publié le 19890303

COMPARATEUR DE TENSIONS La présente invention concerne un comparateur de tensions et plus particulièrement un tel comparateur permettant de déterminer si l'une de deux tensions devient supérieure à l'autre, ce comparateur étant réalisé sous forme de circuits intégrés et lesdites tensions pouvant varier dans des plages importantes, par exemple de 6 à 30 volts, c'est-à-dire notamment jusqu'à des valeurs supérieures à la tension d'alimentation du circuit intégré. Dans l'art antérieur, pour résoudre un tel problème, on était généralement obligé de passer par une étape préliminaire consistant å ramener les tensions à mesurer à des valeurs plus faibles pour qu'elles soient compatibles avec les tensions que peut supporter un circuit intégré, par exemple un circuit intégré MOS qui ne peut habituellement supporter des tensions d'entrée grille/source ou grille/drain supérieures à la dizaine de volts. En pratique, dans des circuits intégrés dont une partie comprend un diviseur de tension de forte valeur, on ne sait réaliser des résistances parfaitement linéaires et la division de tension ne peut se faire avec une forte précision ; par exemple, on ne peut pas dépasser une précision de l'ordre du millivolt pour une trentaine de volts de tension d'entrée. Ensuite, dans l'art antérieur, en supposant que l'on ait su résoudre ce problème de division de tension, on est amené à introduire les deux signaux à comparer dans un comparateur réalisé par un amplificateur opérationnel. On se heurte là à nouveau à un problème de précision car on ne sait réaliser simplement sous forme de circuit intégré un comparateur présentant une tension d'offset (ou tension de décalage) inférieure au millivolt dans des circuits intégrés comprenant également des composants de puissance ou de forte tension. Une autre solution de l'art antérieur consisterait à utiliser un comparateur à capacités commutées. Un tel comparateur présente l'inconvénient que les deux signaux à comparer sont échantillonnés à des instants différents. En conséquence, si les deux tensions à comparer sont affectées d'un bruit important (le même bruit pour les deux tensions) on risque des basculements intempestifs du comparateur. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un comparateur réalisable dans une technologie de circuit intégré compatible avec la réalisation dans le même circuit d'éléments de tension et de puissance élevée. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel comparateur permettant de comparer des tensions variant dans une plage de tensions importante, pouvant dépasser la tension d'alimentation normale du circuit intégré. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel comparateur présentant une haute précision. Ces objets sont atteints selon la présente invention par un comparateur de tensions comprenant deux inverseurs identiques, d'un type tel que leur tension d'équilibrage dépend de la tension d'alimentation, l'entrée du premier inverseur étant reliée à sa sortie et à l'entrée du deuxième inverseur, la borne d'alimentation du premier inverseur recevant la première tension à comparer, la borne d'alimentation du deuxième inverseur recevant la deuxième tension à comparer, et la sortie du deuxième inverseur constituant la sortie du comparateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention le deuxième inverseur est suivi d'une channe d'inverseurs identiques aux deux premiers dont chacun reçoit comme entrée la sortie du précédent et dont les bornes d'alimentation reçoivent la deuxième tension à comparer, la sortie du dernier inverseur constituant la sortie du comparateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention la sortie est connectée à une bascule à seuil, telle qu'une bascule de Schmitt. Selon un mode de réalisation de la présente invention l'entrée de chacun des inverseurs à partir du second est connectée à la masse par l'intermédiaire d'une diode Zener. Selon un mode de réalisation de la présente invention chacun des inverseurs est constitué d'un transistor MOS enrichi dont la grille constitue l'entrée, dont la source est reliée à la masse, et dont le drain constitue la sortie et est connecté à la tension d'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance ladite résistance est une résistance diffusée ou bien est constituée d'un transistor MOS à appauvrissement dont la source est reliée au drain du transistor enrichi et dont la grille et le drain sont reliés à la tension d'alimentation. Selon un mode de réalisation de la présente invention la bascule de Schmitt comprend deux transistors à enrichissement en série dont les grilles sont interconnectées ; la source du premier est reliée à la masse et le drain du second à la tension d'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance ; un troisième transistor est connecté par sa source au point de connexion des deux premiers et par son drain à la tension d'alimentation à travers une résistance ; la sortie est prélevée sur une connexion entre le drain du second et la grille du troisième transistor. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente sous formes de blocs fonctionnels un circuit selon la présente invention la figure 2 représente des courbes de caractéristiques d'entrée/sortie d'inverseurs destinées à illustrer le fonctionnement d'un circuit selon la présente invention ; la figure 3 représente un mode de réalisation particulier du circuit de la figure 1 les figures 4A à 4C représentent des exemples d'inverseurs utilisables selon la présente invention ; et la figure 5 représente une application d'un circuit selon la présente invention. La figure 1 représente de façon schématique un comparateur selon la présente invention. Ce comparateur comprend trois parties : un bloc de comparaison 10, un bloc d'amplification 11 et un bloc de bascule ou de mémorisation 13 Le bloc de comparaison 10 comprend deux inverseurs identiques Il et I2 qui reçoivent comme tension d'alimentation les tensions V1 et V2 à comparer. L'entrée du premier inverseur I1 est connectée à sa sortie et à l'entrée du second inverseur I2. La sortie de l'inverseur I1, connectée à son entrée, se positionne à une certaine valeur de tension dite tension d'équilibrage qui ne dépend des caractéristiques de l'inverseur. Les inverseurs Il et I2 sont choisis pour que leur tension d'équilibrage dépende en outre de leur tension d'alimentation.Si les tensions V1 et V2 sont égales, l'inverseur I2 reçoit sur son entrée sa tension d'équilibrage et fournit donc en sortie cette même tension d'équilibrage. Par contre, si V1 est différent de V2, on obtiendra en sortie du deuxième inverseur I2 une tension plus élevée ou plus faible que la tension d'équilibrage selon que V1 est plus faible ou plus élevé que V2, respectivement. En fait, on s'intéressera seulement à détecter les cas où V2 est supérieur à V1. Dans le bloc d'amplification 11, des inverseurs successifs disposés en série, dont trois, I10 à I12, ont été représentés à titre d'exemple, permettent d'amplifier le signal issu du bloc de comparaison pour fournir un signal élevé à la sortie du dernier inverseur. Le bloc de sortie 13 comprend simplement une bascule telle qu'une bascule de Schmitt pour indiquer que le signal de sortie est supérieur ou inférieur à un seuil donné. Cette bascule étant alimentée par la deuxième tension V2 à comparer, ce seuil peut être mobile avec la tension appliquée. L'utilisation d'une bascule de Schmitt permet d'éviter des oscillations parasites autour du point d'équilibre. La figure 2 représente un exemple de courbe caractéristique d'un inverseur dont la tension d'équili-brage dépend de la tension d'alimentation. Il pourra par exemple s'agir d'un inverseur à transistor MOS à canal N enrichi dont le drain est relié à la tension d'alimentation par une résistance diffusée comme cela sera décrit ci-après. Ainsi, la figure 2 représente la tension de sortie Vout en fonction de la tension d'entrée Vin d'un inverseur. Dans la figure, ces tensions Vin et Vout ont été limitées à des valeurs de 6 volts par des diodes Zener, comme cela sera également exposé ciaprès. Les références 21, 22 et 23 représentent des exemples de courbes caractéristiques d'un même inverseur pour des itensions d'alimentation respectives de 6 volts, 25 volts et 28 volts. Les tensions d'équilibrage respectives (sur la droite Vin = Vout) sont de 2 volts, 3,520 volts et 3,697 volts. En considérant par exemple la courbe 22 correspondant à une tension d'alimentation de 25 volts, la pente de la courbe Vout/Vin au voisinage de la tension d'équilibrage est voisine de -13, c'est-à-dire que pour une variation de tension d'entrée de 100 millivolts, on aura une variation de tension de sortie de 1,3 volts. De même, la variation de tension d'équilibrage en fonction de la variation de tension d'alimentation est de l'ordre de 6 %.Ainsi, par exemple, si la tension V1 est de 25,000 volts et la tension V2 de 25,100 volts, la tension d'équilibrage de l'inverseur I1, qui est de 3,520 millivolts et qui est injectée à l'entrée de l'inverseur I2, se trouve décalée de 6 mV par rapport à la tension d'équilibrage de ce dernier. Cette différence de 6 millivolts sera amplifiée d'un facteur 13 par ce second amplificateur, c'est-à-dire qu'elle deviendra sensiblement une différence de 100 mV. Les trois inverseurs suivants assureront un gain de l'ordre de 133 (environ 2000) c'est-à-dire supérieur au gain nécessaire pour atteindre la tension de sortie maximale de 6 volts. Un tel système de comparaison et d'amplification permet, en choisissant un nombre suffisant d'étages dans la channe d'amplification de détecter des différences de tension très faibles entre les valeurs Vl et V2, par exemple aussi faibles que quelques millivolts, sans introduire de décalage de tension (offset). La figure 3 représente un exemple de réalisation du circuit selon la présente invention. Chacun des inverseurs comprend une résistance diffusée, R, et un transistor MOS enrichi à canal N, T. Les entrées de tous les inverseurs sauf le premier sont également connectées à un dispositif de limitation de tension de grille tel qu'une diode Zener Z qui, dans l'exemple représenté, a une tension d'avalanche de 6 volts. Ceci est destiné à protéger les grilles des transistors MOS contre des tensions trop élevées. En effet, généralement, ces grilles ne peuvent supporter des tensions supérieures à une dizaine de volts. L'étage de sortie 13 du circuit selon la présente invention est une bascule (trigger) de Schmitt comprenant deux transistors MOS en série 30 et 31 dont les grilles sont interconnectées, la source du transistor 31 étant relié à la masse, le source du transistor 30 étant relié au drain du transistor 31 et le drain du transistor 30 étant relié à la deuxième tension à comparer V2 par l'intermédiaire d'une résistance 32. Un transistor MOS 33 a sa source connectée au point de connexion des transistors MOS 30 et 31 et son drain connecté à la tension V2 par l'intermédiaire d'une résistance 34. La grille du transistor 33 est également protégée par une diode Zener 35. La sortie du circuit est constituée par une connexion commune au drain du transistor 30 et à la grille du transistor 33. Un tel circuit présente un seuil bas et un seuil haut.Le seuil bas sera choisi légèrement inférieur à la tension d'équilibrage d'un inverseur et, du fait de la constitution de la bascule de Schmitt et de la connexion à la même tension V2, évoluera avec cette tension V2. Le seuil haut est supérieur au premier seuil d'une quantité déterminée par le transistor MOS 33 et la résistance 34. Ainsi, cette bascule passe à l'état haut dès que le seuil haut est dépassé et revient à l'état bas dès que l'on repasse en-dessous du seuil bas. La figure 4 représente divers types d'inverseurs dont la tension d'équilibrage varie avec la tension d'alimentation V. L'inverseur de la figure 4A est identique à ceux illustrés en figure 3. L'inverseur de la figure 4B comprend un transistor MOS enrichi à canal N 30 et un transistor MOS appauvri à canal N 41 disposés en série de la façon représentée, la grille et le drain du transistor 41 étant reliées ensemble à la tension V. La figure 4C représente un inverseur réalisé en technologie CMOS (MOS complémentaires) ; deux transistors 42 et 43, respectivement à canal N et à canal P de type enrichi, sont montés en série, leurs grilles étant interconnectées. Enfin, la figure 5 représente un exemple d'application dans lequel un comparateur selon la présente invention s'avère particulièrement utile. En considère le cas où l'on veut vérifier le bon fonctionnement d'un transistor MOS de puissance 50. Un tel transistor est généralement constitué d'un grand nombre de transistors élémentaires en parallèle. Ce transistor est relié par une borne 51 sur laquelle apparaît une tension V2 à une charge 52. Normalement, au cours d'une phase de conduction, la chute de tension entre la tension V sur la source d'alimentation et la tension V2 sur le drain du transistor MOS est très faible. Mais, si un défaut apparaît au niveau de la charge (charge déconnectée), cette tension va varier brutalement et il convient de signaler l'incident sur une borne de défaut. Pour ce faire, on dispose en parallèle avec le transistor MOS de puissance 50 un petit transistor MOS 54 constitué par exemple d'une cellule élémentaire identique au grand nombre de cellules dont est constitué le transistor MOS de puissance. On fait passer dans cette cellule élémentaire un courant Iref correspondant au courant de défaut dans le transistor de puissance divisé par le nombre de cellules constituant celuici.En conséquence, la tension V1 sur le drain du petit transistor MOS 54 doit être égale à la tension V2 ou légèrement supérieure à cette tension. Si jamais V2 devient supérieur à Vl, c'est qu'il est apparu un défaut de fonctionnement dans la charge du MOS de puissance. Ces tensions V2 et V1 peuvent varier dans une gamme de valeur de 30 volts à 0 volt. En plus, ces deux tensions varient de la même façon et sont susceptibles d'être fortement bruitées. Avec un comparateur selon l'invention, les tensions V1 et V2 seront connectées de la façon indiquée en figure 1 pour permettre de détecter très rapidement le moment où la tension V2 devient supérieure à Vl, même de quelques millivolts. Le circuit selon l'invention présente en outre l'avantage de pouvoir être réalisé dans le même circuit intégré que le transistor MOS de puissance. REVENDICATIONS 1. Comparateur de tensions caractérisé en ce qu'il comprend deux inverseurs identiques, d'un type tel que leur tension d'équilibrage dépend de la tension d'alimentation, l'entrée du premier inverseur (Il) étant reliée à sa sortie et à l'entrée du deuxième inverseur (I2), la borne d'alimentation du premier inverseur recevant la première tension à comparer (V1), la borne d'alimentation du deuxième inverseur recevant la deuxième tension à comparer (V2), et la sortie du deuxième inverseur constituant la sortie du comparateur. 2. Comparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième inverseur est suivi d'une channe d'inverseurs (I10-I12) identiques aux deux premiers dont chacun reçoit comme entrée la sortie du précédent et dont les bornes d'alimentation reçoivent la deuxième tension à comparer, la sortie du dernier inverseur constituant la sortie du comparateur. 3. Comparateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que sa sortie est connectée à une bascule (13), telle qu'une bascule de Schmitt. 4. Comparateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'entrée de chacun des inverseurs à partir du second est connectée à la masse par l'intermédiaire d'une diode Ze & r (Z). 5. Comparateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacun des inverseurs est constitué d'un transistor MOS enrichi (T) dont la grille constitue l'entrée, dont la source est reliée à la masse, et dont le drain constitue la sortie et est connecté à la tension d'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance (R). 6. Comparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite résistance est une résistance diffusée. 7. Comparateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite résistance est constituée d'un transistor MOS à appauvrissement (41) dont la source est reliée au drain du transistor enrichi (40) et dont la grille et le drain sont reliés à la tension d'alimentation. 8. Comparateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bascule comprend deux transistors à enrichissement (30, 31) en série dont les grilles sont interconnectées, la source du premier étant reliée à la masse et le drain du second à la tension d'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance (32), un troisième transistor (33) étant connecté par sa source au point de connexion des deux premiers et par son drain à la tension d'alimentation à travers une résistance (34), la sortie étant prélevée sur une connexion entre le drain du second transistor et la grille du troisième.