Brevet FR2671244A1 — publié le 19920703

i Dispositif de retard réglable. L'invention a pour objet un dispositif de retard réglable Elle s'applique notamment aux systèmes de transmission de données numériques à très haut débit, à plus de i gigabit par seconde par exemple. Les dispositifs de retard actuels sont couramment faits de circuits RC Le réglage du retard se fait par variation de la valeur de la résistance et/ou de la capacité Dans un circuit intégré à transistors à effet de champ, de type MOS (Métal Oxyde Semiconducteur) par exemple, la résistance et la capacité sont ordinairement constituées par des transistors. L'inconvénient de tels dispositifs à retard est la courbe de forme exponentielle de la variation du retard par rapport à la variation des valeurs de R et de C La linéarité du réglage du retard nécessite donc des produits RC de fortes valeurs, incompatibles avec des temps de retard très courts D'autre part, les circuits RC doivent être insérés entre des circuits tampons d'entrée et de sortie rendant les circuits extérieurs insensibles aux variations de R et de C En outre, la technologie de fabrication des transistors à effet de champ produit de fortes dérives dans les caractéristiques des transistors de circuits intégrés différents Ces dérives s'opposent à la fiabilité et à la finesse recherchées du réglage du retard. L'invention présente un dispositif à retard réglable offrant les avantages de ne pas présenter une courbe de variation logarithmique, de produire des retards très courts, de régler la valeur des retards de façon fine et fiable, et d'avoir une structure simple, bien adaptée à son intégration dans des circuits intégrés de type Bi CMOS (Bipolar/Complementary MOS) et ne nécessitant pas de circuits tampons d'entrée et de sortie. Un dispositif de retard réglable conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un amplificateur différentiel dont la source de courant et les deux résistances de charge sont associées à des moyens de réglage agissant de façon que le produit du courant par chacune des résistances soit constant. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortent clairement de la description qui suit, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés. Dans les dessins la figure 1 est une vue schématique du circuit d'un mode de réalisation préféré d'un dispositif de retard réglable conforme à l'invention; la figure 2 est un graphe illustrant la variation du temps de retard du dispositif représenté sur la figure 1; la figure 3 est une vue synoptique d'un mode de réalisation d'un dispositif de retard conforme à l'invention, présentant un retard réglable sur une large gamme de variation; et la figure 4 est une vue synoptique d'une variante de réalisation du dispositif de retard représenté sur la figure 3. Sur la figure 1, le dispositif de retard 10 conforme à l'invention est fait à partir d'une porte ECL (Emitter-Coupled Logic) 11 Il est alimenté en tension entre les potentiels Vcc et VEE, valant respectivement + 5 Volts et la masse par exemple Les deux transistors bipolaires d'entrée 12 et 13 de la porte 11 reçoivent respectivement sur leurs bases le signal d'entrée direct IN et le signal d'entrée inversé IN* Leurs collecteurs sont reliés au potentiel Vcc par l'intermédiaire de charges résistives respectives 14 et 15 Leurs émetteurs sont réunis et reliés au potentiel VE par une source de courant 16 faite d'un transistor bipolaire 17 et d'une charge résistive 18 Le transistor 17 a son collecteur connecté aux émetteurs des transistors 12 et 13, son émetteur connecté à la charge résistive 18 et sa base recevant un potentiel de référence VREF Les collecteurs des transistors 12 et 13 sont aussi connectés aux bases de deux transistors bipolaires 19 et 20 formant deux amplificateurs de sortie à émetteur suiveur Leurs collecteurs sont connectés au potentiel VCC et leurs émetteurs sont reliés au potentiel VEE par des résistances respectives 21 et 22 et délivrent les signaux de sortie complémentaires OUT et OUT De manière classique, les résistances sont faites de transistors respectifs à effet de champ, de type MOS par exemple La valeur de la résistance d'un tel transistor est prédéterminée à la fabrication notamment par la largeur électrique de sa grille et, en pratique, par la tension grille- source nécessaire pour faire conduire le transistor. Selon l'invention, la porte ECL 11 comporte un circuit de réglage 23 du courant de polarisation I produit par la source 16 et de la valeur R de chacune des charges résistives 14 et , de façon que leur produit RI soit constant Dans l'exemple illustré, le réglage commandé par le circuit 23 n'est pas continu Les charges résistives 14 et 15 sont faites chacune de quatre résistances 14 a-14 d et 15 a-15 d, et la charge 18 de la source de courant 16 se compose de quatre résistances 18 a-18 d. Toutes les résistances dans chacune des charges 14, 15 et 18 sont formées par des transistors MOS ayant leurs trajets drain- source en parallèle Les transistors dans les charges 14 et 15 sont de type PMOS et leurs grilles sont réunies à un bus 24 connecté à une borne de commande 23 a du circuit de réglage 23. Les transistors dans la charge 18 sont de type NMOS et leurs grilles sont réunies à un bus 25 connecté à une autre borne de commande 23 b du circuit 23 Les bornes de commande 23 a et 23 b délivrent respectivement deux signaux de commande C et D pouvant prendre quatre valeurs distinctes de potentiel CO-C 3 et DO-D 3 en réponse à un signal de pilotage E appliqué sur une borne d'entrée 23 c du circuit de réglage 23. Le fonctionnement du dispositif de retard réglable 10 illustré dans la figure 1 va être fait en référence au graphe de la figure 2 Le graphe représente les variations du retard e des signaux de sortie complémentaires OUT et OUT en fonction des variations du courant I telles que RI soit constant La variation du courant de polarisation est choisie sensiblement linéaire Dans ces conditions, la courbe est une hyperbole du type e A + B/I, o A est l'ordonnée de l'asymptote horizontale (non représentée) et B un coefficient prédéterminé, égal à 1 dans l'exemple illustré Les quatre valeurs I 0-I 3 de I sont déterminées par les quatre valeurs respectives DO-D 3 du signal de commande D de la conduction des transistors 18 a-18 d correspondants Aux quatre valeurs DO-D 3 correspondent les quatre valeurs de CO-C 3 commandant la conduction des transistors respectifs 14 a-14 d et 15 a-15 d fonctionnant en résistances Dans l'exemple illustré, la valeur I O correspondant aux valeurs CO et DO est obtenue par la conduction des transistors 14 a, 15 a et 18 a. Les quatre valeurs IO-I 3 sont de préférence choisies dans une partie sensiblement médiane et linéaire de la courbe, de façon que les quatre valeurs de retard el-e 3 en résultant soient sensiblement équidistantes les unes des autres et soient distinctes entre elles d'une valeur désirée Il ressort en effet du graphe que des valeurs de I trop dispersées produiraient des variations fortement non linéaires de e que des valeurs de I groupées dans la partie asymptotique horizontale produiraient des valeurs de e peu différenciables entre elles et que dans la partie asymptotique verticale les valeurs désirées de e seraient obtenues pour de trop faibles variations de I, compte tenu des dérives technologiques. Le dispositif de retard 10 conforme à l'invention présente plusieurs avantages La présence de transistors bipolaires comme éléments actifs dans l'amplificateur différentiel 11 confère une fiabilité et une homogénéité des temps de retard e. Elle remédie aux problèmes de non homogénéité qui se présenteraient dans un amplificateur différentiel de type CMOS (Complementary MOS) à cause de la différence notable des retards dans les transistors NMOS et PMOS par rapport aux temps de retard très courts e de la traversée du dispositif de retard , de l'ordre de 250 ps dans l'exemple illustré Un autre avantage réside dans l'utilisation de signaux d'entrée complémentaires IN et IN* sur les bases des transistors 12 et 13 de l'amplificateur différentiel de type ECL 11 En effet, l'emploi du signal d'entrée IN et d'une tension de référence poserait un problème de centrage du front du signal IN sur la tension de référence à cause de la dispersion des caractéristiques des composants entre différents circuits intégrés Un décalage du centrage produirait des retards e non homogènes Au contraire, dans l'exemple illustré, le centrage se fait sur le point de croisement des fronts des signaux d'entrée complémentaires, qui compense toute dérive et assure un temps de retard stable. Le fonctionnement du circuit de réglage 23 consiste donc dans ce cas à convertir le signal de pilotage E en deux signaux de commande C et D ayant chacun quatre valeurs correspondantes à un produit RI sensiblement constant Un tel convertisseur est bien connu de l'homme du métier et n'a donc pas besoin d'être décrit. De nombreuses variantes peuvent être apportées à l'exemple de réalisation illustré Il est clair notamment qu'au lieu de la porte ECL illustrée, un simple amplificateur différentiel à transistors bipolaires ou à effet de champ pourrait dans certains cas suffire L'avantage d'une porte ECL réside principalement dans ses retards très courts et dans ses performances aux hautes fréquences, dues à la non saturation de ses transistors 12 et 13 et à la faible variation de ses tensions de sortie (voltage swing) en fonction de la fréquence. Il ressort aussi de la description qui précède qu'un circuit de réglage 23 plus perfectionné et une courbe e = f (I) mieux adaptée pourraient faire varier les retards e de façon plus dense, plus étalée et plus linéaire Par exemple, un grand nombre de résistances dans les charges 14, 15 et 18 permettrait un réglage très fin du retard e D'une manière générale, la source de courant dans la porte ECL 11 ou dans un simple amplificateur différentiel de substitution pourrait n'inclure que la résistance 18 En variante, les signaux de commande du courant I pourraient seulement agir sur la tension de commande de conduction du transistor 17, c'est-à-dire sur la base de ce transistor On a vu aussi plus haut que la porte ECL, ou l'amplificateur différentiel de substitution, pourrait ne recevoir que le signal d'entrée direct IN, l'autre borne d'entrée étant appliquée à un potentiel fixe prédéterminé Il est aussi possible pour l'homme du métier de faire varier le retard e de façon continue Il serait aussi possible de faire varier le courant de polarisation selon une fonction d'ordre supérieur, 2 par exemple, de façon à obtenir une courbe du type e = A + B/I 2 présentant des branches plus linéaires mais faisant varier fortement les retards e De plus, si les temps de retard désirés vont au-delà des possibilités d'un simple dispositif de retard 10, il est aussi possible d'assembler plusieurs dispositifs 10 de la façon illustrée sur les figures 3 et 4. La figure 3 représente de façon synoptique la structure d'une variante de réalisation du dispositif de retard 10 conforme à l'invention, incorporant quatre portes ECL lla-lld montées en cascade Les portes lla- lld sont commandées par le même circuit de réglage 23 pour retarder successivement les signaux d'entrée IN et IN Leurs signaux de sortie OU Ta-OU Td et OU Ta -OU Td sont aussi appliqués sur les entrées respectives d'un multiplexeur 26, qui délivre les signaux de sortie complémentaires OUT et OUT* du dispositif de retard 10 Sachant que le dispositif 10 peut apporter quatre valeurs de retard, dont un retard maximum de l'ordre de 250 ps, il est possible d'obtenir du dispositif de retard 10 seize valeurs de retard e s'étalant jusqu'à un retard de l'ordre de 1 ns, qui correspond à une période de transmission d'un bit au débit d'l gigabit par seconde L'exemple d'assemblage de la figure 3 suffit à l'homme du métier pour en concevoir d'autres, plus ou moins performants selon les cas, tel que par exemple celui représenté sur la figure 4. Dans l'exemple illustré de façon synoptique dans la figure 4, le dispositif de retard 10 se compose de trois portes ECL lla- lic identiques à la porte 11 dans la figure 1 et de deux portes ECL 27 a, 27 b du même type que les portes lia-lic mais n'incorporant qu'une résistance de charge correspondante 14, 15 et 18 pour produire un retard fixe 8 f Les portes lla-llc peuvent se partager les mêmes résistances de charge 14 a-14 d et a-15 d ainsi que les mêmes amplificateurs de sortie 19-22 et les mêmes sorties Elles sont commandées par les mêmes signaux de commande C et D issus d'un même circuit de réglage 23 Le circuit 23 a seulement en plus un sélecteur (non représenté) fournissant à un bus 28 des signaux de sélection Sa-Sc aux portes respectives lia- lic Les portes lia et 27 a reçoivent les signaux d'entrée IN et IN*, et les portes llb, lic reçoivent respectivement les signaux de sortie des portes 27 a et 27 b Les signaux de sortie de la porte 27 a sont aussi appliqués sur les bornes d'entrée de la porte 27 b En fonctionnement, la sélection de seulement la porte lia fournit un retard ea identique au retard e de la porte 11 dans la figure 1 La sélection seulement de la porte llb fournit le retard eb = ef + e La sélection seulement de la porte lic fournit le retard ec = 2 ef + e La courbe en résultant peut être linéaire si les gammes de variation ea, Gb et ec sont associées sans chevauchement Pour éviter cependant toute oscillation du sélecteur autour des points de jonction de deux retards fournis sucessivement par les portes lia et llb par exemple, il est préférable de faire chevaucher les différentes gammes pour avoir une courbe en forme de dents de scie et une variation générale sensiblement linéaire sans risque d'oscillation En conclusion, le principe de ce dispositif de retard consiste à ajouter sélectivement au moins un retard fixe ef au retard variable produit par au moins un amplificateur différentiel ou une porte ECL 11 D'une manière générale les retards fixes ef peuvent être égaux ou différents entre eux. Revendications 1 Dispositif de retard réglable ( 10), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un amplificateur différentiel ( 11) dont la source de courant ( 16) et les deux résistances de charge ( 14, ) sont associées à des moyens de réglage ( 23, 14 a-14 d, 15 a- d, 18 a-18 d) agissant de façon que le produit du courant par chacune desdites résistances soit constant. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de courant incluant une résistance de charge ( 18), les moyens de réglage agissent sur cette résistance pour faire varier le courant. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de réglage comprennent un circuit de réglage ( 23) et, dans chacune des résistances de charge ( 14, 15, 18), une pluralité de transistors MOS ayant leurs trajets drain- source en parallèle et leurs grilles réunies à une borne de commande du circuit de réglage. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de courant incluant un transistor ( 17), les moyens de réglage agissent sur la tension de commande de conduction de ce transistor. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la variation du courant de polarisation est sensiblement linéaire. 6 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la variation du courant de polarisation est une fonction carrée (I 2) ou d'ordre supérieur. 7 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les deux entrées de l'amplificateur différentiel reçoivent les versions complémentaires d'un signal d'entrée (IN). 8 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'amplificateur différentiel forme une porte ECL. 9 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs amplificateurs différentiels (lla-lld) dont les sorties respectives sont appliquées à un multiplexeur ( 25). 10 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le retard variable produit par au moins ledit amplificateur différentiel est sélectivement ajouté à au moins un retard fixe ( ef figure 4).