Brevet FR2690796A1 — publié le 19931105

CIRCUIT DE DETECTION DE SEUILS DE TENSION L'invention concerne un circuit électronique de détection d'un niveau de tension inférieur ou supérieur à un seuil de tension donné. L'invention s'applique notamment aux circuits intégrés et tout particulièrement aux circuits intégrés dits sécurisés qui opèrent sur des données confidentielles. Il est utile de pouvoir autoriser ou interdire électroniquement l'utilisation d'un circuit intégré selon que le niveau de la tension d'alimentation qu'il reçoit en entrée entre dans une plage continue de valeurs ou n'entre pas dans cette plage Une telle plage est typiquement délimitée par un seuil bas et un seuil haut La fiabilité du circuit dépend en effet de ses15 conditions de fonctionnement et en particulier, lorsque la tension d'alimentation n'est pas dans la plage spécifiée par le constructeur, le circuit n'est plus fiable une opération indésirable telle qu'une programmation peut être alors possible ou une opération20 peut mal se dérouler telle qu'une lecture erronée Il est aussi possible que des sécurités prévues sur le circuit ne soient plus efficaces: des fraudes seraient alors possibles. Il a donc été prévu d'incorporer un circuit de détection de dépassement de seuils de tension dans un circuit intégré De tels circuits sont connus utilisant des diviseurs résistifs par exemple Ils permettent de détecter un excès de tension (dépassement de seuil haut) ou un défaut de tension (dépassement de seuil bas). Mais ces circuits de détection présentent une variation importante du seuil de détection avec la température ambiante du circuit intégré auquel ils sont incorporés Ils présentent aussi souvent une variation du seuil de détection avec le procédé de fabrication: le seuil de détection va varier d'un circuit de détection à l'autre pour des mêmes conditions de fonctionnement Dans un exemple numérique, pour une tension d'entrée nominale de 5 volts, ces circuits permettent de détecter au mieux un seuil de 4 volts à plus ou moins 1 volt En pratique, les circuits de détection connus conviennent pour des circuits intégrés classiques, mais ne répondent pas bien aux spécifications exigeantes des circuits sécurisés. Dans l'invention, on propose un circuit de détection à deux branches comprenant chacune un générateur de courant commandé en tension constante par l'autre branche Chaque branche comprend en outre au moins une diode polarisée en direct Le circuit obtenu permet de maintenir un courant constant dans chaque branche Ainsi la variation de tension se reporte dans chaque branche sur un point déterminé de cette branche. Un étage de sortie connecté en entrée à l'une ou l'autre des branches et calibré de manière appropriée, permet de détecter un dépassement d'un seuil de tension donné Il fournit une réponse binaire (zéro ou un) indiquant la position de la tension d'alimentation par rapport à ce seuil (excès ou défaut). Le circuit de l'invention avec son principe de réaction entre les deux branches permet avantageusement de détecter un seuil de tension avec une bonne précision. L'invention concerne donc un circuit de détection de dépassement d'un seuil par une tension d'alimentation Il est principalement caractérisé par deux branches de détection connectées entre la tension d'alimentation et la masse et qui comportent chacune un générateur-de courant et au moins une diode polarisée en direct Le générateur de courant d'une branche est commandé en tension par le point de connexion entre la diode et le générateur de courant de l'autre branche Un étage de sortie est connecté en entrée à un point de connexion entre une diode et un générateur de courant. Il délivre en sortie l'information de dépassement du seuil par la tension d'alimentation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention sont décrits dans la description détaillée qui suit faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un schéma de principe de l'invention et la figure 2 représente un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 1 représente le principe de l'invention. On notera que dans la suite, tous les potentiels sont référencés par rapport à la masse. Le circuit électronique comprend trois blocs un étage de sortie, une première branche comprenant une diode Dl dont l'anode est connectée à la tension d'alimentation à surveiller Vdd et un générateur de courant Gi connecté entre la cathode de la diode et la masse, une deuxième branche comprenant un générateur de courant G 2 connecté entre Vdd et l'anode d'une diode D 2 dont la cathode est reliée à la masse. On appelle point milieu d'une branche, le point de connexion entre la diode et le générateur de courant de cette même branche On appelle ainsi Vi le point milieu de la première branche et V 2 le point milieu de la deuxième Le générateur de courant Gl est commandé en tension par le point milieu de la deuxième branche Le générateur de courant G 2 est commandé en tension par le point milieu de la première branche Par ailleurs, l'entrée de l'étage de sortie est connectée au point milieu VI La sortie de l'étage sortie délivre l'information de dépassement du seuil que l'on veut détecter L'étage de sortie peut être une porte logique telle qu'une porte NOR ou une porte NAND De préférence, et comme retenu dans la suite de la description, l'étage de sortie est un inverseur. Le principe de l'invention est alors le suivant quand le circuit est équilibré, la diode de chacune des branches est polarisée à un potentiel constant par le courant constant délivré par le générateur de courant de la branche Supposons alors que la tension d'alimentation Vdd varie, par exemple supposons qu'elle baisse Comme la diode Di de la première branche est polarisée à courant constant la variation de tension dans la première branche se reporte entre le point milieu Vi et la masse Ainsi le point milieu Vi va suivre les variations de la tension d'alimentation Vdd. Or le point milieu Vi commande en tension le générateur de courant G 2 de la deuxième branche La différence de potentiel entre Vi et Vdd est constante puisque VI varie comme Vdd Le générateur de courant G 2 va donc fournir un courant constant indépendamment de la variation de la tension d'alimentation Vdd Par conséquent, le point milieu V 2 a un potentiel constant qui ne varie pas avec Vdd Le point milieu V 2 alimente en tension le générateur de courant Gi qui fournit donc un courant constant dans la première branche La variation de la tension d'alimentation Vdd est reportée sur le point milieu Vl Dans l'exemple de la figure 1, le point milieu Vl commande l'entrée d'un inverseur calibré pour basculer pour une valeur de potentiel particulière. On aurait très bien pu mettre l'inverseur en sortie du point milieu V 2 Dans ce cas le potentiel V 2 comme on l'a vu est constant, indépendamment des variations de la tension d'alimentation Vdd Mais l'inverseur a comme référence la tension d'alimentation Vdd, et c'est la différence de potentiel entre la tension d'alimentation Vdd et le potentiel du point milieu V 2 qui commande dans ce cas le basculement de l'inverseur. De manière générale, le principe de l'invention permet de détecter deux seuils avec un étage de sortie calibré pour un certain seuil et connecté sur Vi et un autre étage de sortie calibré pour un autre seuil et connecté sur V 2. Un mode préféré de réalisation est représenté sur la figure 2 Dans la première branche, le générateur de courant Gl est de préférence un transistor de type N dont le drain est connecté au point milieu Vl et la source connectée à la masse Avantageusement, il est polarisé en saturation La diode DI est elle réalisée avec deux transistors en série, un premier de type P Tp 3 et un deuxième de type N Tn 3 Ces deux transistors sont montés en diode polarisée en direct Ainsi la source du transistor Tp 3 est reliée à Vdd et la source du transistor Tn 3 est reliée à Vl La grille et le drain de chacun de ces transistors sont reliés ensemble Le drain du transistor Tp 3 est par ailleurs relié au drain du transistor Tn 3. Dans la deuxième branche, le générateur de courant G 2 est de préférence un transistor de type P dont la source est reliée à Vdd et le drain au point milieu V 2. Avantageusement, il est polarisé en saturation La diode D 2 est de préférence réalisée par deux transistors, l'un de type P Tp 4, l'autre de type N Tn 4 Tous deux sont montés en diode polarisée en direct Ainsi la source du transistor-Tp 4 est reliée au point milieu V 2 et la source du transistor Tn 4 est reliée à la masse Le drain et la grille de chaque transistor sont reliés ensemble. Le drain du transistor Tn 4 est relié au drain du transistor Tp 4. Un premier inverseur Il a son entrée connectée au point milieu Vl Dans l'exemple représenté sur la figure 2, c'est un inverseur CMOS comprenant un transistor de type P Tpl et un transistor de type N Tnl. De manière connue, le drain des transistors Tpl et Tnl sont reliés ensemble et forment la sortie OUT 1 de l'inverseur Il Les grilles des transistors Tpl et Tnl sont reliées ensemble et forment l'entrée de l'inverseur connecté au point milieu Vl Enfin la source du transistor Tpl est reliée à Vdd et la source du transistor Tnt est reliée à la masse Un deuxième inverseur I 2 a son entrée connectée au point milieu V 2. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, c'est un inverseur CMOS comprenant un transistor P Tp 2 un transistor N Tn 2 De manière connue les drains des transistors Tp 2 et Tn 2 sont reliés ensemble et forment la sortie OUT 2 de l'inverseur I 2 Les grilles des transistors Tp 2 et Tn 2 sont reliées ensemble et forment l'entrée de l'inverseur connectée au point milieu V 2. Enfin la source du transistor Tp 2 est reliée à Vdd et la source du transistor Tn 2 est reliée à la masse. Dans un exemple, on prend comme hypothèse de fonctionnement que l'inverseur Il est calibré pour détecter un niveau bas de la tension d'alimentation Vdd et l'inverseur I 2 pour détecter un niveau haut de cette même tension En particulier les tailles des transistors des inverseurs sont choisies pour pouvoir détecter les seuils désirés. Dans le cas de l'inverseur Il qui doit détecter un seuil bas, on sait, comme on l'a vu dans l'explication du principe de l'invention, que le point milieu Vi va suivre les variations de la tension de l'alimentation Vdd Ainsi la différence de potentiel entre la grille et la source du transistor Tpl de l'inverseur Il ne varie pas Il faut donc pour que l'inverseur bascule, que le transistor Tnl devienne conducteur ou bloqué selon la différence de potentiel entre sa grille et sa source, c'est à dire selon la valeur du potentiel du point milieu Vi Ainsi, tant que Vdd ne baisse pas en dessous du seuil bas, le transistor Tpl est conducteur et le transistor Tnl est conducteur: la sortie OUT 1 de l'inverseur Il est à zéro Lorsque la tension Vdd baisse en dessous du seuil bas (dépassement par défaut), le potentiel du point milieu Vl baisse en dessous du seuil de conduction du transistor Tnt de l'inverseur Il: le transistor Tnl se bloque, l'inverseur Il bascule et la sortie de l'inverseur passe à 1. Pour l'inverseur I 2 les conditions sont différentes, puisqu'il faut détecter un seuil haut d'alimentation, et que dans l'exemple de la figure 2, le potentiel de l'entrée de l'inverseur est constante. Seule la tension d'alimentation Vdd peut varier. Le transistor Tp 2 de l'inverseur I 2 a sa source reliée à Vdd et sa grille reliée au point milieu V 2 La tension V 2 comme on l'a vu dans le principe de l'invention est constante La différence de potentiel entre la source et la grille du transistor Tp 2 varie donc avec Vdd Le transistor Tn 2 a sa grille connectée au point milieu V 2 et sa source connectée à la masse La différence de potentiel entre la source et la grille du * ^ transistor Tn 2 est donc constante La condition pour faire basculer l'inverseur I 2 joue donc ici sur le transistor Tp 2 Comme on veut détecter un seuil haut d'alimentation, on calibre l'inverseur pour que pour une tension Vdd en dessous du seuil haut d'alimentation, le potentiel V 2 soit supérieur à la différence de potentiel entre Vdd et le seuil de conduction du transistor Tp 2. Dans ces conditions le transistor Tp 2 est conducteur et la sortie de l'inverseur I 2 est à 1 Si la tension Vdd augmente au dessus du seuil haut, la différence de potentiel entre Vdd et le seuil de conduction du transistor Tp 2 augmente dans les mêmes proportions. Comme le potentiel du point milieu V 2 est constant, il devient inférieur à cette différence de potentiel et l'inverseur I 2 bascule: le transistor Tp 2 se bloque et la sortie OUT 2 de l'inverseur I 2 passe à 0. On peut choisir aussi que l'inverseur Il détecte un seuil haut et que l'inverseur I 2 détecte un seuil bas. On calibrera les inverseurs selon le fonctionnement désiré. Le principe de l'invention qui permet de maintenir un courant constant dans chacune des branches conduit ainsi à une détection fiable des seuils de tension d'alimentation. De préférence et comme décrit précédemment, la diode Dl du principe de l'invention est réalisée par deux transistors de type de conduction opposé On sait en effet que les caractéristiques des transistors, et notamment leur seuil de conduction, varient avec les procédés de fabrication et avec la température On sait aussi que ces variations sont contraires dans un transistor P et dans un transistor N Ainsi pour obtenir une meilleure compensation thermique et de variation de procédés, on préfère utiliser deux transistors de type opposé en série pour réaliser la diode Dl du principe de l'invention Ainsi on est sûr que le potentiel Vl va suivre le plus fidèlement possible les variations de Vdd Ainsi on est également assuré que le potentiel V 2 va rester aussi constant que possible. Le réglage du niveau de détection se fait en pratique avec l'ajustement des générateurs de courant pour polariser correctement les diodes de chacune des branches et avec les tailles des transistors des inverseurs pour ajuster le seuil de basculement à ces potentiels VI, V 2 Les générateurs de courant et les tailles des transistors des inverseurs se calculent selon des méthodes habituelles en fonction du niveau de la tension à surveiller et des seuils bas et/ou haut à détecter. Le principe de l'invention et sa réalisation préférée permettent une détection très fiable confirmée par des simulations qui montrent par exemple que pour une tension d'alimentation Vdd de 5 volts, un seuil haut de 5,5 volts et un seuil bas de 4,5 volts, on arrive en sortie à détecter ces seuils à plus ou moins 0,3 volts. Comparé aux solutions actuelles qui présentent des variations de l'ordre de plus ou moins 1 volt au minimum, le circuit de l'invention présente une nette amélioration qui permet une meilleure protection des circuits sécurisés Des variantes sont bien sûr possibles En particulier on peut très bien n'utiliser qu'un seul transistor pour réaliser la diode de chacune des branches sachant que l'on perd alors un élément de précision Par ailleurs, il est aussi possible d'inverser le transistor N et P dans chacune des branches, ou de n'utiliser qu'un seul étage de sortie si l'on n'est intéressé que par un seul seuil Toutes ces variantes restent du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1 Circuit de détection de dépassement d'un seuil d'une tension d'entrée, caractérisé en ce qu'il comporte une première branche comprenant une diode (Di) polarisée en direct entre la tension d'entrée et un point milieu (VI) et un générateur de courant (Gl) entre le point milieu et la masse, une deuxième branche comprenant un générateur de courant (G 2) entre la tension d'entrée et un point milieu (V 2) et une diode (D 2) polarisée en direct entre le point milieu et la masse, le générateur de courant (Gi) d'une branche étant commandé en tension par le point milieu (V 2) de l'autre branche, et un étage de sortie (Il) ayant une entrée connectée au point milieu (Vi) d'une branche, la sortie de l'étage de sortie constituant une sortie du circuit de détection de dépassement d'un seuil. 2 Circuit de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diode (Dl) d'une branche est constituée par deux transistors de type opposé en série (Tp 3, Tn 3), chacun ayant sa grille reliée à son drain. 3 Circuit de détection selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le générateur de courant d'une branche est un transistor polarisé à une tension grille source constante. 4 Circuit de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce que la grille du transistor formant le générateur de courant (Gi) d'une branche est connectée au point milieu (V 2) de l'autre branche. Circuit de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il 1 1 - s t>* ê 2690796 comporte un étage de sortie (I 2) dont une entrée est connectée au point milieu (V 2) de l'autre branche. 6 Circuit de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un étage de sortie est un inverseur. 7 Circuit de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est incorporé dans une puce de circuit intégré et qu'il comporte au moins une sortie apte à inhiber le fonctionnement d'autres circuits placés sur la même puce de circuit intégré en cas de détection d'un dépassement de seuil de tension par la tension d'entrée du circuit. 8 Circuit de détection selon la revendication ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte deux sorties (OUT 1, OUT 2) aptes à inhiber chacune le fonctionnement d'autres circuits placés sur la même puce de circuit intégré lors d'une détection d'un dépassement d'un seuil de tension par la tension d'entrée du circuit.