Brevet FR2694851A1 — publié le 19940218

-X CIRCUIT DE TIRAGE VERS UN ÉTAT DÉTERMINÉ D'UNE ENTRÉE DE CIRCUIT INTÉGRÉ La présente invention concerne les circuits intégrés et plus particulièrement les circuits intégrés logiques en technologie MOS. Un circuit intégré comprend de nombreux composants internes et des plots d'accès dont chacun est destiné à émettre et/ou à recevoir des niveaux logiques et/ou analogiques On s'intéressera plus particulièrement aux plots d'entrée suscepti- bles de recevoir des niveaux logiques, bien que ces mêmes plots puissent également fonctionner en plots de sortie en fonction10 d'une sélection entre un amplificateur d'entrée et un amplifi- cateur de sortie. La figure 1 représente très schématiquement un tel plot d'entrée 10 relié par une métallisation à une entrée d'un amplificateur 11 faisant partie d'un circuit intégré Ce plot15 est destiné à recevoir de l'extérieur des signaux logiques, c'est-à-dire des tensions à un niveau déterminé haut ou bas En outre, chaque plot est généralement associé à des composants de protection contre des surcharges, par exemple des décharges électrostatiques Ces composants de protection n'ont pas été représentés par souci de clarté et de simplicité. Le plot 10 est relié à l'extérieur du circuit intégré par un conducteur 12 Comme on 1 'a indiqué précédemment, ce conducteur 12 est normalement placé à un potentiel haut ou à un potentiel bas Il se produit toutefois de nombreuses situations 5 o ce conducteur est à un potentiel flottant L'amplificateur d'entrée 11 risque alors de considérer ce niveau flottant tantôt comme un niveau bas tantôt canne un niveau haut De plus, des parasites ou des décharges électrostatiques survenant sur le conducteur 12 modifieront le potentiel du plot et seront consi-10 dérés par l'amplificateur 11 comme un changement d'état d'en- trée C'est ce qu'il faut éviter. Ainsi, les utilisateurs de circuits intégrés logiques prévoient habituellement des moyens pour fixer le potentiel des entrées logiques à un niveau de repos déterminé quand l'entrée15 est flottante Dans toute la présente description, on considé- rera que ce niveau de repos déterminé est le niveau haut Mais, bien entendu, l'invention pourrait simplement être adaptée par l'haome de métier au cas o ce niveau de repos déterminé est le niveau bas.20 De façon classique, les utilisateurs de circuits inté- grés logiques placent à l'extérieur du circuit d'entrée, une résistance 13 dite résistance de tirage entre le conducteur d'entrée 12 et la tension Vdd correspondant au niveau haut. Cette résistance doit être suffisamment élevée pour ne pas25 entraîner une consommation exoessive quand le conducteur 12 est placé au niveau bas et doit être suffisamment faible pour que la constante de temps d'élimination d'un parasite tandis que le conducteur 12 est flottant soit suffisamment brève Une valeur de compromis couramment adoptée est de l'ordre de 50 kohms Mais30 il s'agit là d'une valeur de compromis qui n'est pas parfaite- ment satisfaisante. En outre, le seul fait de prévoir une résistance de tirage externe au circuit intégré complique les montages que doit faire l'utilisateur de ce circuit intégré. Ainsi, un premier objet de la présente invention est de prévoir un circuit de tirage vers un niveau de repos déter- miné d'un plot d'entrée de signal logique de circuit intégré qui soit intégré dans ce circuit. 5 Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel circuit de tirage qui présente une impédance forte quand le niveau autre que le niveau de repos déterminé est appliqué sur l'entrée tout en ayant une constante de temps faible de mise au niveau de repos quand l'entrée est flottante.10 Pour atteindre ces objets, la présente invention pré- voit un circuit de tirage vers un deuxième état d'une entrée d'un circuit intégré susceptible d'être dans un premier état correspondant à un premier potentiel (Vss), dans un deuxième état correspondant à un deuxième potentiel (Vdd) ou dans un état flottant Ce circuit de tirage comprend un premier transistor MOS à canal d'un premier type de conductivité connecté entre l'entrée et le deuxième potentiel, la connexion en série entre le deuxième potentiel et le premier potentiel d'un deuxième et d'un troisième transistor MOS à canal du premier type de conduc-20 tivité et d'un quatrième transistor MOS à canal du deuxième type de conductivité, une connexion entre les grilles des premier et deuxième transistors et le point de raccordement des troisième et quatrième transistors, et une connexion entre l'entrée et les grilles des troisième et quatrième transistors. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le quatrième transistor est constitué de façon à avoir une résistance à l'état passant relativement élevée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premier, deuxième et troisième transistors sont des transis- tors MOS à canal P et le quatrième transistor est un transistor MOS à canal N, le premier potentiel étant un potentiel bas (Vss) et le deuxième potentiel un potentiel haut (Vdd). Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premier et deuxième transistors sont identiques. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente un plot d'entrée de circuit intégré associé à une résistance de tirage selon l'art anté- rieur; la figure 2 représente un composant de tirage intégré associé à un plot d'entrée; la figure 3 représente la courbe caractéristique courant-tension d'un circuit comprenant le composant de tirage de la figure 1 ou de la figure 2; la figure 4 représente un circuit de tirage selon la présente invention; la figure 5 représente une portion d'une courbe carac- téristique courant-tension d'un circuit de tirage selon la pré- sente invention; et la figure 6 représente une courbe caractéristique courant-tension d'un circuit de tirage selon la présente inven- tion. Etant donné l'état de la technique décrit précédemment en relation avec la figure 1, les utilisateurs de circuit inté- gré ont demandé aux fabricants de circuit intégré de prévoir une intégration d'un composant de tirage vers le haut tel que la résistance 13. Une première idée qui pourrait venir à l'homme de métier du domaine des circuits intégrés pour atteindre ce résul- tat consisterait, comme cela est représenté en figure 2, à relier le plot à la source d'alimentation haute Vdd du circuit30 par l'intermédiaire d'un transistor MOS à canal P 14 dont la grille est à la masse En effet, il est usuel dans le domaine des circuits intégrés de remplacer une résistance dont la réali- sation amène à l'occupation d'une surface de silicium relative- ment importante par un transistor MOS En outre, l'homme de métier choisira les dimensions du transistor MOS, c'est-à-dire essentiellement le rapport W/L entre la largeur et la longueur de grille pour obtenir une valeur de résistance souhaitée (rappelons que l'on appelle habituellement longueur de grille la distance entre source et drain et largeur de grille l'étendue transversale des régions en regard de source et de drain). En outre, le remplacement d'une résistance par un transistor MOS améliore les caractéristiques de consommation. La figure 3 représente sur un même graphique la courbe caractéristique tension-courant pour une résistance (courbe 15) et pour un transistor MOS (courbe 16) La courbe 15 montre une caractéristique classique linéaire d'une résistance Quand le plot 10 est à la tension Vdd, le courant est nul Quand une ten- sion basse, Vss, est imposée sur le plot 10, la consommation de15 courant dans la résistance est IR=Vdd/R Par contre, si on utilise un transistor MOS, dès que la tension sur le plot devient inférieure à la tension de seuil VT (habituellement environ 1 volt) de ce MOS, la valeur du courant se sature Il y a donc une consommation qui est environ 1/5 plus faible dans le20 cas de l'utilisation d'un transistor MOS si Vdd et Vss ont les valeurs classiques + 5 V et O volt Ceci signifie néanmoins que l'on doit choisir la valeur de la résistance à l'état passant du transistor MOS 14 sensiblement égale à la valeur que l'on choi- sissait pour la résistance 13 et qu'il n'y a pas d'amélioration25 très importante de la consommation de courant. La figure 4 représente le schéma d'un circuit selon la présente invention qui permet de réduire la consommation de cou- rant du transistor de tirage vers le niveau haut quand le plot est au niveau bas (Vss ou O V).30 Selon la présente invention, le plot 10 est relié à la source de tension haute par l'intermédiaire d'un transistor MOS à canal P MPI Par ailleurs, la source de tension haute Vdd (par exemple 5 V) est reliée à la source de tension basse Vss (par exemple O V) par l'intermédiaire de la connexion en série de deux transistors MOS à canal P MP 2 et MP 3 et d'un transistor MOS à canal N MN 4 Les grilles des transistors MP 2 et MP 3 sont interconnectées et leur point de connexion G 3-4 est relié au plot 10 (et à l'entrée de l'amplificateur d'entrée 11 du circuit 5 intégré). Dans une technologie de fabrication o les transistors MOS à canal P sont réalisés dans des caissons N formés dans un substrat P, la prise caisson de chacun de ces caissons sera de préférence reliée au potentiel Vdd.10 On va maintenant décrire le fonctionnement du circuit de la figure 4 dans les différents cas de connexion du plot 10. Quand le plot 10 est relié, par l'extérieur, à un potentiel bas (Vss), le transistor MN 4 est à l'état bloqué et le transistor MP 3 est à l'état passant Ainsi, le transistor MP 215 peut être considéré comme ayant sa grille reliée à son drain, c'est-à-dire qu'il se comporte comme une diode en série avec le transistor MN 4 et il passe dans ce transistor MP 2 un très faible courant, qui sera par exemple de l'ordre de 1 n A Le transistor M Pl ayant sa grille au même potentiel que le transistor MP 2 sera20 sujet à une circulation de courant sensiblement identique, c'est-à-dire qu'il se trouve dans un état de très faible inver- sion, tel que désigné par les valeurs de courant Il et VI dans la portion de courbe caractéristique de la figure 5 o VT dési- gne la tension de seuil du transistor MP 1 L'état susmentionné25 se maintient tant que la tension sur la borne 10 reste comprise entre Vss et Vss+ VTMP 2 o VTMP 2 désigne la tension de seuil du transistor MOS MP 2, couramment de l'ordre de 0,8 V. Conformément à l'objet de la présente invention, la consommation de courant dans cet état o le plot est au niveau bas est très faible, de l'ordre du nanoampère, alors qu'elle était de l'ordre de 0,1 m A ( 5 V/50 kohms) selon l'art antérieur. Si à partir de cet état de mise à tension basse du plot 10, on laisse flottant le potentiel du plot, le courant de faible inversion dans le transistor M Pl charge la capacité de grille du transistor MM 4 Quand le potentiel sur la grille du transistor MN 4 dépasse la tension de seuil de ce transistor, celui-ci devient passant, abaissant la tension de grille du transistor MP 2 qui devient alors également passant (le transis- tor MP 3 est quant à lui toujours à l'état passant) Le tran- sistor M Pl qui a la même tension de grille que le transistor MP 2 devient aussi passant, confirmant l'état conducteur du transis- tor MN 4 La tension du plot 10 est alors tirée vers la valeur Vdd par la mise en conduction du transistor MP 1 Quand la ten- sion sur le plot et sur la grille du transistor MP 3 s'est élevée jusqu'à une valeur Vdd-VTMP 3, le transistor MP 3 se bloque A ce moment, la grille Gl-2 du transistor M Pl est au potentiel Vss du fait de l'état conducteur du transistor MN 4 La conduction du transistor M Pl est donc confirmée et celui-ci est dans un état conducteur avec une faible résistance dynamique correspondant à la résistance à l'état passant d'un transistor MOS à canal P, classiquement de 5 à 10 kohms En raison de cette faible valeur d'impédance, le plot est très bien protégé par rapport aux para- sites qui seront éliminés avec une courte constante de temps. Si le plot passe de son état flottant à un état o sa tension est fixée à 5 V, on demeure dans le même état que celui atteint précédemment avec toujours une consommation pratiquement nulle du circuit. Si ensuite le plot est ramené à Vss, on revient à l'état décrit précédemment, le transistor MN 4 passant rapidement de l'état passant à l'état bloqué. On a donc réalisé un circuit conforme aux objets de la présente invention à savoir qu'il permet une réalisation simple sous forme de circuit intégré, qu'il présente une faible impé-30 dance quand l'entrée est flottante, ce qui améliore la capacité d'élimination des parasites, et qu'il présente une consommation pratiquement nulle quand le plot est dans l'état autre que l'état de repos. La figure 6 représente la caractéristique courant- tension du circuit de tirage selon la présente invention Les seules phases de consommation du circuit sont les phases transi- toires entre l'état o l'entrée est au niveau bas et l'état o 5 l'entrée devient flottante ainsi que entre les états haut et bas de l'entrée On a alors une brève phase, essentiellement entre les tensions VTMN 4 et VTMP 3 o les transistors MP 2, MP 3 et MN 4 sont conducteurs L'homme de l'art saura choisir les caractéris- tiques géométriques du transistor MN 4 pour limiter ce courant10 transitoire A titre d'exemple, on pourra choisir pour les tran- sistors M Pl et MP 2 un rapport W/L= 10/5, pour le transistor MP 3 agissant en interrupteur un rapport W/L= 3/2, et pour le transis- tor MN 1 permettant de satisfaire à une caractéristique de limi- tation de courant un rapport W/L= 3/25 (les valeurs numériques indiquées peuvent, dans un mode de réalisation, être des valeurs en micromètres). On a présenté précédemment les transistors M Pl et MP 2 comme identiques En fonction de caractéristiques particulières, l'homme de métier pourra choisir des rapports géométriques20 distincts pour ces transistors. Par ailleurs, comme cela a été indiqué en préambule de la présente description, le circuit selon la présente invention s'appliquerait de même au tirage vers un niveau bas d'un plot. Il faudrait alors inverser le rôle des sources Vdd et Vss et tous les types de transistors MOS décrits. REVENDICATIONS 1 Circuit de tirage vers un deuxième état d'une entrée ( 10) d'un circuit intégré susceptible d'être dans un premier état correspondant à un premier potentiel (Vss), dans un deuxième état correspondant à un deuxième potentiel (Vdd) ou 5 dans un état flottant, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier transistor MOS (MP 1) à canal d'un premier type de conductivité connecté entre ladite entrée et le deuxième potentiel, la connexion en série entre le deuxième potentiel et le premier potentiel d'un deuxième (MP 2) et d'un troisième (MP 3) transistor MOS à canal du premier type de conductivité et d'un quatrième transistor MOS (MN 4) à canal du deuxième type de conductivité, une connexion entre les grilles des premier et deu- xième transistors et le point de raccordement des troisième et quatrième transistors, et une connexion entre ladite entrée et les grilles des troisième et quatrième transistors. 2 Circuit de tirage selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le quatrième transistor est constitué de façon à avoir une résistance à l'état passant relativement élevée. 3 Circuit de tirage selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les premier, deuxième et troisième transistors sont des transistors MOS à canal P et le quatrième transistor25 est un transistor MOS à canal N, le premier potentiel étant un potentiel bas (Vss) et le deuxième potentiel un potentiel haut (Vdd). 4 Circuit de tirage selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les premier et deuxième transistors sont iden- tiques.