Brevet FR2624324A1 — publié le 19890609

COMPARATEUR DE TENSIONS ELECTRIQUES A AUTOCALTBRATION DIEEBRENTIETTE La présente invention concerne un comparateur de tensions électriques, autocalibré, muni de dispositifs de correction automatique de sa tension de décalage, et dont l'architecture lui permet de s'affranchir des imperfections technologiques de ses composants, notamment au niveau des interrupteurs nécessaires pour passer de la phase de mesure à la phase d'autocalibration. Ce comparateur est préférentiellement réalisé sous forme de circuit intégré, sur silicium ou sur matériaux du groupe III - V tel que GaAs, car il est prévu pour travailler dans les hyperfréquences. D'une manière générale, l'autocalibration consiste à mesurer et à compenser le décalage de tension par rapport à un potentiel de sortie Idéal lorsque les deux entrées du comparateur sont au même potentiel. Ce décalage de tension est couramment appelé tension d'offset. Le fonctionnement d'un comparateur autocalibré met en oeuvre deux phases - une phase de calibration, durant laquelle l'offset est mesuré et stocké dans un point mémoire, - une phase de mesure, durant laquelle le comparateur reprend sa fonction normale de comparaison des signaux d'entrée, mais en tenant compte toutefois de l'offset mesuré lors de la phase précédente. La figure 1 donne le schéma simplifié d'un comparateur autocalibré selon l'art connu. Un comparateur 1 reçoit sur ses deux entrées les signaux électriques E1 et E2, E1 étant la référence par exemple. I1 délivre sur ses sorties des signaux S et S, mais la tension de l'une d'elles, S par exemple, peut être mesurée et stockée dans une capacité 2, au moyen d'un interrupteur 3. La mesure de l'offset nécessite de pouvoir isoler les entrées au moyen des interrupteurs 4 et 5, et de les mettre au même potentiel au moyen de l'interrupteur 6. Dans la phase de calibratlon, pour mesurer l'offset en sortie, on place les entrées en court-circuit, donc au même potentiel, grâce à une porte analogique, interrupteur 6, puis la tension en sortie du comparateur est stockée dans la capacité 2 qui sert de point mémoire, l'interrupteur 3 étant fermé. Dans la phase de mesure, les entrées ne sont plus en court-circuit, mais attaquées par les signaux E1 et E2 à comparer. D'autre part, la valeur de l'offset est envoyée en un point adéquat du comparateur de façon à compenser qu'introduirait cet offset, l'interrupteur 3 étant ouvert. En fait, les interrupteurs 3,4,5 et 6 sont des portes ananlogiques, donc des transistors, qui stockent plus ou moins de charges électriques, et qui ne sont pas tous rigoureusement identiques, car il y a dispersion technologique en cours de fabrication d'un circuit intégré. C'est pourquoi cette méthode d'autocallbration ne permet pas de s'affranchir des imperfections des portes analogiques. En effet, lors de l'ouverture ou de la fermeture des interrupteurs, il y a extraction ou injection de charges dans le circuit. La charge stockée dans la capacité se trouve donc perturbée par cette injection ou extraction de charges. I1 en résulte que la tension aux bornes de la capacité n'est plus la tension d'offset mais l'offset auquel stajoute une tension d'erreur. Cette tension d'erreur est d'autant plus grande que la capacité 2 est petite, et peut prendre des valeurs non négllgeables lorsque l'on travaille avec des capacités inférieures au picofarad susceptibles d'être intégrées dans une puce de circuit intégré. Dans certains cas défavorables, liés aux dispersions technologiques ou aux effets de la température, cette tension d'erreur peut être supérieure à l'offset lui-même. L'autocallbration ne sert plus à rien, et même elle peut conduire à une dégradation des performances. En bref, les imperfections des interrupteurs tendent à nuire au bon fonctionnement du comparateur autocalibré. Ces inconvénients sont supprimés dans le comparateur selon l'invention, dont l'architecture permet - de compenser l'offset du comparateur lié aux imperfections technologiques des composants, - de s'affranchir des injections de charges et des imperfections des interrupteurs chargés d'effectuer cette callbration. Selon l'invention, la tension d'offset n'est plus représentée par la charge d'une capacité, mais par une différence de charge entre deux capacités, d'où le nom de callbration différentielle. t > e ce fait, les imperfections des interrupteurs conduisent à des injections de charges égales dans chaque capacité, ces charges se neutralisant par symétrie. I1 en résulte que, lors d'une injection de charges, la différence entre les tensions aux bornes des capacités n'est pas modifiée, bien que la tension aux bornes de chaque capacité le soit. La correction d'offset est effectuée grâce à deux translateurs de niveaux placés en entrée du premier étage du comparateur, dans lesquels le courant est directement proportionnel à la tension présente aux bornes des condensateurs. Le décalage entre l'entrée et la sortie d'un translateur est donc proportionnel Â cette tension. I1 en résulte que la différence entre les décalages de chaque transiateur est proportionnelle à la différence de charge des deux capacités, donc à l'offset. De façon plus précise l'invention concerne un comparateur de tensions électriques à autocallbration, comportant un préamplificateur différentiel sur les entrées duquel sont adressés les signaux à comparer, et sur les sorties duquel sont connectés deux translateurs qui déllvrent les signaux de sorties, ce comparateur étant caractérisé en ce que sa tension de décalage au repos, entre les deux sorties, dite tension d'offset, est mesurée et stockée de façon différentielle au moyen de deux capacités, connectées au moyen de deux interrupteurs sur les deux sorties, la tension stockée dans chacune des capacités étant adressée à travers un décaleur de tension sur la grille d'un transistor qui assure l'autocallbration du préamplificateur. L'invention sera mieux comprise, et ses avantages ressortiront mieux grâce à la description plus détaillée qui suit, et qui s'appuie sur les figures jointes en annexe, représentant - figure 1 schéma simplifie d'un comparateur à autocalíbration, selon l'art connu, et qui a déjà été expliquée ci-dessús, - figure 2 : schéma simplifié d'un comparateur à autocalibration différentielle, selon ltinvention, - figure 3 : circuit électrique d'un comparateur selon l'invention Le schéma simplifié d'un comparateur à autocalibration différentielle selon l'invention est donné en figure 2. Pour faciliter la comparaison avec le comparateur selon l'art connu, donné en figure 1, les mêmes indices de repères sont conservés lorsqu'ils désignent les mêmes objets. Le comparateur selon l'invention possède deux entrées sur lesquelles sont appliquées des tensions d'entrée El et E2 ces entrées peuvent être isolées par les interrupteurs 4 et 5, ou court-circuitées par l'interrupteur 6. I1 possède également deux sorties sur lesquelles sont recueillis les signaux S et S une première capacité 2, commandée par un interrupteur 3, mesure le signal sur la deuxième sortie S, le stocke, et l'adresse sur une première voie du comparateur 1, tandis qu'une deuxième capacité 7, commandée par un interrupteur 8, mesure le signal sur la première sortie S, le stocke, et l'adresse sur une deuxième vole du comparateur 1. I1 y a donc une action symétrique : la tension d'offset mesurée sur une sortie est aussi appliquée pour correction sur la voie qui délivre l'autre sortie. Ainsi, les deux voies s'équilibrent réciproquement Le schéma de la figure 2 est très simplifié le circuit électrique, complet, de la figure 3 permettra de mieux décrire l'architecture et le fonctionnement du comparateur à autocalibration différentielle. Sur ce cirucit, les tensions d'alimentations n'ont pas été systématiquement reportées, pour ne pas surcharger la figure, mais il est bien entendu que tout le circuit est alimenté entre + VDD et - Vss. Les signaux d'entrées, repérés E et Réf, sont appliqués à travers deux interrupteurs d'entrées IEl et IE2 - en fait deux portes analogiques commandées par un signal d'horloge H2- sur les grilles des transistors T1 etT2 de deux translateurs d'entrées réglables T1,T3,T23, et T2,T4,T24, montés de manière différentielle grâce à T5. Les transistors T3 et T4 servent de trimmers aux transistors T23 et T24 avec lesquels ils sont montés chacun en parallèle. Le valeur du décalage des translateurs d'entrées est ajustée par les signaux CTL1 et CTL2. Ainsi translatés, les signaux d'entrées sont prélevés aux points E01 et E02 et amplifiés par un préamplificateur cascadé, dont les transistors sont repérés- T6 à T12, et dont les sorties sont S1 et S2. les tensions de repos de cet amplificateur sont stabilisées par une boucle d'autoasservissement T21, D7 à D12, T22 qui, à partir de la tension de sortie en S2, polarise la grille du transistor T6 source de courant de l'amplificateur. En outre, les signaux prélevés en S1 et S2 sont appliqués à deux translateurs de niveaux T13,R1,T15,R3 et T14, R2,T16,R4 qui les transmettent aux deux mémoires consituées par des capacités C1 et C2. Deux interrupteurs d'autocalibration lAi etIA2 permettent de mesurer ces tensions de sorties ou d'isoler les mémoires ; ils sont commandés par un signal d'horloge H1. Deux décaleurs T17, D1, Dl > D3, D5, T19 et T18,D2,D4,D6,T20, sont nécessaires pour rendre les tensions stockées dans C1 et C2 compatibles avec les tensions requises sur les grilles des transistors T3 et T4 des translateurs d'entrées. Ces tensions de corrections sont - CUL1, prélevée sur le drain du transistor T20 source de courant, et appliquée sur la grille de T3, - CTL2, prélevée sur le drain du transistor T19 et appliquée sur la grille de T4. Enfin, deux interrupteurs M1 et IM2, commandés par un signal d'horloge H1, sont montés en série entre les deux grilles des transistors d'entrées T1 et T2. Réunis à la tension de référence, ils permettent d'injecter cette même tension sur les deux voies du comparateur, pour mesure de la tension d'offset dûe aux disparités de réalisation des transistors. Les sorties 01 et 02 du comparateur sont prises au niveau des armatures des capacités C1 et C2 qui ne sont pas à la masse, toutefois avant les interrupteurs IA1 et IA2. Le nombre de diodes en série dans les décaleurs et dans la boucle d'autoasservissement n'est pas limitatif de l'invention. I1 correspond à une technologie sur GaAs, et peut varier avec la technologie, la nature des transistors et le matériau, silicium ou matériaux III - V. Le fonctionnement s'effectue en deux phases. Dans la phase de calibration, les entrées sont mises en court circuit, les interrupteurs IM1 et IM2, IA1 et IA2 sont conducteurs; la tension de référence étant sur les deux entrées, il apparait une tension d'offset entre les sorties S1 et S2. Les tensions en S1 et S2 sont décalées par les deux translateurs de niveaux, et on retrouve ainsi l'offset entre R1 et T15 d'une part, R2 et T16 d'autre part. Les interrupteurs lAi et IA2 étant conducteurs, les capacités se chargent, et la différence de tension entre C1 et C2 est égale à l'offset en sortie 01-02. Les potentiels aux points supérieurs de C1 et C2 sont ensuite translatés d'environ 3V vers les potentiels négatifs pour que ceux-ci puissent servir de contrôle de courant dans les deux translateurs d'entrées à décalage contrôlé T1, T3 et T2, T4. Le fait de contrôler le courant dans chaque translateur d'entrée permet de contrôler la grandeur du décalage qui a une valeur dffférente dans chaque translateur, cette différence étant fonction de la tension d'offset. En phase de calibration, le système est donc rebouclé sur lui-même. I1 en résulte que l'offset résiduel, c'est à dire l'offset après correction, est égal à l'offset initial divisé par le gain. L'offset initial est la valeur que prendrait l'offset s'il n y avait pas de compensation. En phase de mesure, les interrupteurs, IE1 et IE2 sont conducteurs ; IM1 et IM2 sont non conducteurs ainsi que IA1 et IA2. Les capacités C1 et C2 servant de point mémoire, la correction d'offset est maintenue durant toute cette phase. La fonction de comparaison est assurée de manière classique, avec toutefois, une correction de l'offset. L'originalité de cette architecture réside en ce que - la tension d'offset n'est pas stockée dans une seule capacité, comme dans l'art connu, mais dans deux capacités, de manière différentielle, - la correction d'offset se fait grâce au contrôle de courant dans les translateurs d'entrées T1, T3 et T2, T4. - les transistors T3 et T4 focntionnent en différentiel, alimentés par la même source de courant T5. - les transistors T3 et T4 agissent comme trimmers par rapport aux transistors T23 et T24 dont ils modulent le courant, - le transiateur différentiel d'entrée, distinct du préamplificateur différentiel, permet d'adapter une boucle d'autopolarisation au préamplificateur, les boucles d'autoasservissement et d'autocalibration étant séparées. Ce comparateur a de nombreux avantages - la tension d'offset est divisée par le gain du préamplificateur différentiel, - les injections de charges doies aux interrupteurs ne sont pas gênantes puisqu'elles se font de manière symétrique dans les branches d'Autoca]lbration correspondant aux sorties 01 et 02. - le temps séparant deux phases de calibration peut être grand. En effet, la charge stockés dans les capacités peut se décomposer en une "charge commune, dûe aux interrupteurs, qui peut atteindre IV, et en une "charge differentielle", dûe à la tension d'offset, de quelques mV. I,R décharge des capacités due aux fuites de courant est égale pnlxr la "charge commune" de C1 et C2 seule la "charge differontielle" contribue à une perte de charge très légèrement différente pour C1 et C2, mais qui est elle-même divisée par le gain d" préamplificateur. Puisque le montage n'est pas sensible à la perte de "charge commune", le temps séparant deux phases de calibratlon peut être très grand, ce qui esi roste tout à fait relatif puisque le comparateur selon l'invention est dédié aux hyperfréquences, et est réalise preferentiellement en circuit intégré sur GaAs. I1 est utilisé dans le traitement de l'information, logique ou analogique codée, dans les systèmes hyperfréquences civils ou militaires, tels que les faisroRlu hertziens ou les radars. Dans tous ces systèmes. le dispositif selon l'invention est utilisé soit directement comme comparateur entre, deux tensions analogiques. soit intégra dans un convertisseur analogique-numérique, dont on sait que le premier étage commence par comparer la tension analogique à numériser à une tension de référence. REVENDICATIONS 1 - Comparateur de tensions électriques à autocalibration, comportant un préamplificateur différentiel (T1 à T12) sur les entrées duquel (T1,T2) sont adressés les signaux (E, ref) à comparer, et sur les sorties duquel (T11, T12) sont connectés deux translateurs de niveaux (T13, T15, et T14, T16) qui délivrent les signaux de sorties (01,02), ce comparateur au étant caractérisé en ce que sa tension de décalage au repos entre les deux sorties, dite tension d'offset, est mesurée et stockée de façon différentielle au moyen de deux capacités (C1,C2), connectées au moyen de deux interrupteurs (lAi, IA2) sur les deux sorties (01,02), la tension stockée dans chacune des capacités (Ci, C2) étant adressée à travers un décaleur de tension (T17,T19 et T18, T20) sur la grille d'un transistor (T3,T4) T4) qui assure l'autocallbration du préamplificateur. 2 - Comparateur à autocalibration selon la revendication 1, caractérisé en ce que le préamplificateur différentiel comporte deux translateurs d'entrées réglables, chacun de ceux-ci comportant un transistor d'entrée (T1,T2) monté en série avec un transistor d'alimentation (T23,T24) alimenté en différentiel par une source de courant commune (T5), chaque transistor dralimentation (T23,T24) étant lui-même monté en parallèle avec un transistor d'autocalibration (T3,T4) T4) qui reçoit sur sa grille la tension d'offset stockée dans une capacité (Cl, C2) de stockage de ladite tension d'offset, les signaux d'entrées ainsi translatés (E01,E02) étant prélevés au point commun entre le transistor d'entrée (T1,T2) et le transitor d'alimentation (T23,T24) et appliqués sur étage différentiel (T6 à T12) du préamplificateur. 3 - Comparateur à autocalibration selon la revendication 2, caractérisé en ce que les translateurs d'entrées (Ti, T3, T23 > T5 et T2, T4, T24, T5) isolent l'étage différentiel (T6 à T12) du préamplificateur et permettent de lui adapter une boucle d'autopolarisation (T21,T22, D7 à D12), qui prélève, au repos, la tension sur une sortie (S2) dudit étage différentiel et autopolarise la grille du transistor (T6) source de courant pour cet étage. 4 - Comparateur à autocalibration selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension d'offset est divisée par le gain (G) du préamplificateur (T1 à T12). 5 - Comparateur à autocalibration selon la revendication 1, caractérisé en ce que la correction de la tension d'offset est indépendante des imperfections technologiques des transistors et interrupteurs (in1, IA2) puisque la correction est différentielle. 6 - Convertisseur analogique-numérique utilisant le comparateur selon l'invention l'une quelconque des revendications i à 5.