Brevet FR2703526A1 — publié le 19941007

* 1 CIRCUIT DE DECLENCHEMENT AUTOMATIQUE La présente invention a pour objet un circuit de déclenchement automatique, notamment un circuit de remise à zéro, utilisable dans tout circuit électronique L'invention est destinée a être utilisée plus particulièrement dans le domaine des cartes à puces Elle peut être utilisée cependant dans tous les domaines o des standards d'alimentation électrique sont destinés à évoluer du fait de perfectionnements technologiques des circuits électroniques. La plupart des circuit intégrés actuels fonctionnement avec une tension d'alimentation voisine de 5 Volts à plus ou moins 10 % Ceci est également vrai pour les circuits pour les cartes à puces Cependant, dans tous les domaines, il y a actuellement un nette tendance à diminuer cette tension d'alimentation, par exemple jusqu'à 3 Volts ou même plus bas Il est notamment prévu que tous les circuits utilisables dans les micro-ordinateurs portables devront fonctionner à 3,3 Volts En ce qui concerne le domaine des cartes à puces, les circuits doivent pouvoir fonctionner tant à 5 Volts qu'à 3 Volts ou même à une tension plus basse. Ceci est dû au fait que les cartes à puces doivent pouvoir être utilisées aussi bien par des équipements alimentés en 5 Volts que par des équipements alimentés en 3 Volts. Pour tous les circuits électronique, notamment pour les circuits utilisés dans les cartes à puces, une notion de sécurité doit être considérée En effet, une carte à puce doit fonctionner correctement non seulement dans une gamme de tension d'alimentation spécifiée, mais également en dehors de cette gamme pour empêcher, par exemple, un éventuel fraudeur de profiter d'un disfonctionnement hors de cette gamme pour découvrir les secrets de la carte et/ou de modifier son contenu mémorisé, par exemple ajouter des unités monétaires. Pour se protéger de ces tentatives, la plupart des circuits intégrés sont équipés de circuits de déclenchement qui bloquent le fonctionnement de la carte en dehors d'une certaine gamme de tension. Par exemple pour un circuit fonctionnant sous 5 Volts la tension de déclenchement basse se situe autour de 3,5 Volts et la tension haute autour de 6,5 Volts. Ces marges importantes, supérieures à plus ou moins 10 %, sont respectées pour deux raisons: ces seuils de déclenchement dépendent des paramètres de fabrication du circuit intégré, donc ils varient suivant le lots de production; ces seuils dépendent souvent fortement de la température Ainsi pour respecter la spécification d'un fonctionnement à 5 Volts +/ 10 % une marge importante doit être utilisée. Le problème se pose encore plus crûment quand on veut descendre en tension Par exemple, pour avoir une circuit électronique fonctionnel entre 2,5 Volts et 6 Volts, il faudrait choisir des seuils de déclenchement égaux à environ 2 Volts et 7 Volts Mais avec la température et les changements des paramètres de fabrication, ces seuils peuvent varier d'eux-même entre 1,5 et 2,5 Volts et entre 6 et 8 Volts. Pour les tensions élevées, le problème est moins important, car, en général, un circuit intégré électronique, une puce, fonctionne correctement aussi bien à 6 Volts qu'à 8 Volts Par contre pour les tensions basses, les circuits ne fonctionnement pas correctement à 1,5 Volts et il est alors possible de frauder en utilisant certains composants, et en profitant de leur disfonctionnement à basse tension Ce problème rend très difficile la conception d'un circuit pour carte à puce fiable et non fraudable pour des tensions d'alimentation inférieures à 3 Volts. Le but de l'invention est donc d'arriver à construire un circuit de déclenchement stable en tension de seuil, et ajustable, par exemple au début de la vie du composant électronique, notamment lors d'un test de ce composant Ceci permettrait d'éliminer d'une part la dépendance de la tension de déclenchement aux paramètres du lot de fabrication, à la température, à la tension d'alimentation, et d'autre part d'avoir une valeur de tension de déclenchement réglable. L'invention remédie aux inconvénients cités en proposant l'utilisation d'un amplificateur différentiel dont au moins une des branches est montée en cascade avec une cellule comportant un transistor à grille flottante programmable et effaçable électriquement, du type EEPROM L'idée consiste à stocker dans la grille flottante du transistor d'une telle cellule EEPROM des charges électriques correspondant à une tension de référence qui sera utilisée pour déterminer le seuil de déclenchement du circuit Ainsi cette tension peut facilement être comprise entre O et 5 Volts avec une grande précision Comme le seuil de déclenchement est ajusté lors d'un test du circuit à la fabrication on s'affranchit entièrement d'une dépendance de paramètres de procédé de fabrication L'indépendance du seuil vis à vis des lots de fabrication, température, et tension d'alimentation est obtenue par le circuit différentiel. Dans l'autre branche de ce circuit on monte une autre cellule du même type En pratique on compare la différence des seuils de déclenchement à une tension à surveiller. L'invention a donc pour objet un circuit de déclenchement automatique, notamment de remise à zéro, comportant un comparateur de tension recevant un premier niveau de tension de référence à surveiller par rapport à un deuxième niveau de tension de référence, et produisant une variation d'un signal de sortie lorsqu'une différence de tension à surveiller franchit un seuil, caractérisé en ce qu'il comporte un miroir de courant à deux branches, ce miroir étant branché entre une alimentation électrique continue et une masse, chaque branche comportant un transistor de réglage du courant, ces deux transistors étant montés ensemble en miroir, dans chacune des branches, en aval des transistors de réglage, un transistor de détection, un au moins de ces transistors de détection étant un transistor à grille flottante, les deux branches étant réunies en aval des deux transistors de détection à un transistor de couplage à la masse. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent, celles-ci ne sont données qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Le figures montrent: Figure 1: une représentation schématique d'un circuit de déclenchement conforme à l'invention; Figures 2 a à 3 d: des diagrammes temporels de signaux électriques utilisés pour programmer le circuit de l'invention. La figure 1 montre un circuit de déclenchement automatique conforme à l'invention Ce circuit comporte un comparateur amplificateur différentiel constitué ici sous la forme d'un miroir de courant à deux branches Ce miroir comporte dans chacune des branches un transistor, respectivement T 3 et T 4 Ces transistors T 3 et T 4, de type P dans l'exemple, ont leur source reliée à une alimentation Vcc et leur drain connecté, plus loin en aval, à la masse Ces transistors T 3 et T 4 sont des transistors de réglage du courant dans chaque branche. Ils sont montés en miroir En pratique la grille du transistor T 3 est connectée au drain du transistor T 3 et à la grille du transistor T 4 Dans chacune des branches, en aval des transistors de réglage T 3 et T 4, on a connecté des transistors de détection, respectivement Cl et C 2 Au moins un de ces transistors de détection, le transistor Cl, est un transistor à grille flottante Les transistors Cl et C 2 sont de type N, ont leurs drains raccordés aux drains des transistors T 3 et T 4, en des noeuds A et B respectivement, et leurs sources raccordées, ensemble, à un noeud C, au drain d'un transistor Tl de type N de couplage à la masse La grille du transistor de détection Ci est reliée à un niveau de tension à surveiller: par exemple la tension Vcc La grille du transistor C 2 est reliée à une autre tension de référence: par exemple la masse La tension surveillée est la différence de tension entre ces deux tensions de référence. Les transistors Ci et C 2 sont du type EEPROM, programmables et effaçables électriquement Ils ont des seuils de conduction différents Le seuil de conduction du transistor Ci vaut par exemple une tension Vs-Vt Le seuil de conduction du transistor C 2 vaut -Vt Le détecteur ainsi conçu bascule à chaque fois que la différence de tension à surveiller (Vcc) franchit un niveau de tension de référence égal à la différence des seuils de détection des deux transistors Cl et C 2: c'est à dire Vs Vt est un seuil de conduction d'un transistor normal enrichi; Vt vaut de 0,5 à 1 Volt selon la technologie d'implantation retenue. Le drain du transistor T 4 est également relié à la grille d'un transistor T 5 de type P lui aussi raccordé entre Vcc et la masse, en cascade avec un transistor T 2 de type N Le transistor Tl et le transistor T 2 de type N reçoivent sur leur grille un potentiel dit VI Ref, qui en pratique vaut environ 1 Volt, dont la valeur n'est pas sensible pour le fonctionnement du circuit, et qui permet par ailleurs de fixer un courant de référence faible dans le circuit pour limiter sa consommation Au point milieu, noeud D, entre les drains des transistors T 5 et T 2 on prélève un signal S de sortie qui bascule quand la tension à surveiller franchit le seuil Vs. Le fonctionnement en détection du circuit est le suivant Tant que la tension à surveiller, ici la tension d'alimentation Vcc, est inférieure à Vs, les transistors T 3 et T 4 sont bloqués En effet, figures 2 a à 2 e, lorsque la tension Vcc, proche de O Volt, commence à monter, le transistor C 2 est passant, à la limite de la conduction En effet il possède un seuil de conduction négatif -Vt Les transistors T 3 et T 4 de type P sont bloqués parce que la tension Vcc au début est encore inférieure à leur seuil de conduction de l'ordre de Vt également Dans ces conditions le transistor C 2 tire le potentiel du noeud B à zéro Le potentiel au noeud B à zéro rend conducteur le transistor T 5 dès que Vcc devient supérieur à Vt Ce qui fait que le signal S au noeud D suit ensuite la variation de Vcc, figure 2 e. Tant que la tension Vcc, supérieure à Vt, reste inférieure à Vs Vt, tout le courant du transistor Tl, qui décharge le potentiel au noeud B passe par le transistor C 2 Les transistors T 3 et T 4 restent bloqués, et le potentiel B est environ à O Volt car T 4 est bloqué Dans ces conditions, la sortie S au noeud D vaut Vcc car T 5 conduit et que le courant passant dans Tl et T 2 est très faible (environ 1 microampère), ces transistors Tl et T 2 étant à la limite de conduction. Lorsque la tension Vcc devient supérieure à Vs Vt la tension au noeud C augmente En effet, dans le miroir de courant, le transistor T 3 impose le courant Comme au début Ci était bloqué, le transistor T 3 ne pouvait passer aucun courant, il était bloqué Donc T 4 était également bloqué puisque son fonctionnement était imposé par T 3 Dans ces conditions la tension au noeud C était nulle, figure 2 d. Comme la tension, Vcc, appliquée sur la grille de commande de CI monte à Vs Vt, CI va se mettre à conduire Il se met à conduire dès que cette tension appliquée devient supérieure à celle de son seuil qui vaut Vs Vt Dès que Cl conduit, T 3 et T 4 se mettent à conduire Cependant, le courant fourni par T 3 juste à ce moment est faible car, d'une part, ce courant est limité par Tl (à la limite de conduction), et d'autre part le courant passant dans Tl est partagé entre le courant passant par Ci et le courant passant par C 2. Au début de cette mise en conduction de Cl, la tension Vgs Vseuil (Vgs est la tension grille source) de Cl est plus petite que la tension Vgs Vseuil de C 2. Ceci implique que C 2 conduise plus que Cl Avec la continuation de l'augmentation de Vcc, cette situation s'inverse: C 2 ne conduit plus et Cl conduit plus que C 2. Pendant le début de conduction de Ci, la tension Vgs - Vseuil de Cl va rester faible, ce qui implique que la tension au noeud C va alors commencer à monter avec Vcc, celle au noeud B également, figures 2 c et 2 d. Au moment de l'inversion, lorsque Vcc vaut Vs, C 2 se bloque, les tensions aux noeuds A et C continuent à monter Celle au noeud B bascule parce que T 4 conduit et parce que plus rien ne tire le potentiel de B vers zéro puisque C 2 est bloqué Le transistor C 2 se bloque car bien que son seuil de conduction soit négatif, le tension au point C a tellement augmenté qu'elle devient supérieure en valeur absolue à cette valeur. Si les seuils de conduction dans les transistors Cl et C 2 ont été programmés correctement aux valeurs indiquées, la tension de sortie S passe à zéro dès que la tension de Vcc dépasse Vs A ce moment en effet, le transistor Cl est soumis à un potentiel grille source supérieur au potentiel grille source du transistor C 2. Ceci est dû à ce que le potentiel grille source de C 2 devient plus faible que -Vt avec l'augmentation du potentiel du noeud C. Ce circuit est indépendant de la température et des paramètres de fabrication Ceci est dû au fait que les tensions de seuil changent de la même façon pour le transistors CI que pour le transistor C 2 On obtient une tension de détection égale à (Vs Vt + a) (-Vt + a) a représentant une dispersion identique due à la fabrication, la température, ou la tension. La tension Vs est mémorisée dans le circuit lors des opérations de test du fonctionnement de ce circuit. Elle est mémorisée au cours d'une opération de programmation. Pour programmer les deux transistors à grille flottante Cl et C 2 on procède de préférence de la façon suivante Les noeuds A et B sont connectés à des pompes de charge respectivement Pl et P 2 La pompe Pl est détaillée sur la figure Cette pompe Pl comporte une entrée d'alimentation pour un potentiel de programmation Vpp et une entrée d'horloge recevant un signal de phase PHI La pompe Pl comporte deux transistors T 10 et Tii de type N en cascade, le drain du transistor T 10 étant connecté à une source de tension de programmation Vpp, la source de ce transistor T 10 étant reliée au drain du transistor Tii, la source du transistor Tii constituant la sortie de la pompe Pl et étant par ailleurs reliée à la grille du transistor T 10 La grille du transistor Tii est reliée au point milieu entre les transistors T 10 et Tii L'entrée de phase est connectée à ce point milieu par l'intermédiaire d'un condensateur KM Pour éviter de court-circuiter les noeuds A et B à la tension Vcc lors de la programmation, on a interposé entre ces noeuds et les transistors T 3 et T 4 respectivement des transistors de découplage T 7 et T 8 de type N Ces transistors T 7 et T 8 reçoivent sur leurs grille de commande la tension d'alimentation Vcc Tant que les transistors T 7 et T 8 ont à transmettre un potentiel positif reçu des transistors T 3 ou T 4, il conduisent Par contre, si les potentiels aux noeuds A et B deviennent plus grand que Vcc, ces transistors se bloquent puisque dans ce cas leurs grilles sont au même potentiel que leur source. A chaque impulsion Figure 3 d, envoyée sur le condensateur Kl par l'horloge, une petite quantité d'énergie est transmise au noeud A et au noeud B, Figure 3 a Au moment de la programmation, un signal PROG est appliqué sur les grilles de commande de transistors de sélection respectivement T 12 de type N et T 13 de type P. Une tension de seuil Vs est imposée sur une borne du circuit Le transistor T 12 est relié à cette borne Le transistor T 13 reçoit la tension à surveiller (Vcc) et la transmet sur la grille de Ci Le transistor T 12 transmet, lorsqu'il reçoit un signal PROG positif sur sa grille, la valeur de tension de seuil Vs sur la grille de commande du transistor à grille flottante Cl Dans les même conditions de programmation, le transistor T 13 se bloque Par contre, hors période de programmation, le transistor T 12 est bloqué, le transistor T 13 est en court circuit: le transistor Cl surveille la tension qui lui est appliquée et transmise par le transistor T 13: ici en l'occurrence la tension Vcc. Au moment de la programmation on met en service, au moyen de transistors de type N T 6 et T 9 montés en cascade, une dérivation à la masse du noeud C Le transistor TG se comporte comme une diode: de préférence sa grille est connectée à son drain Le transistor T 9 reçoit le signal PROG sur sa grille de commande Les pompes de charge Pl et P 2 permettent d'appliquer la tension Vpp sur les noeuds A et B lors de la programmation du dispositif Dès que PHI commence à osciller, une tension de sortie de ces pompes de charges s'élève à Vpp plus Vt L'avantage de ces pompes vient du fait que, même si un des noeuds A ou B devait voir son potentiel s'écrouler, il n'y aurait pas une trop grosse consommation de courant puisque seule l'énergie du signal PHI est consommée. Au début de la programmation, chargés lentement par les pompes de charge Pl et P 2, les potentiels des noeuds A et B montent, figure 3 a Chacun des transistors Cl ou C 2 est normalement dans un état effacé, par exemple avec une tension de seuil égale à 6 Volts Ils commencent alors à se programmer, par exemple d'abord le transistor C 2 La tension de seuil, figure 3 b, de ce transistor C 2 commence à se modifier du fait de l'injection de charges, en pratique des trous, dans sa grille flottante Lorsque la tension de seuil du transistor concerné, le transistor C 2, atteint le seuil requis il (c'est à dire que ces trous, par le champ électrique qu'ils imposent, provoquent la mise en conduction du canal de conduction), ce transistor commence à conduire et la programmation s'arrête Pour C 2 le seuil requis est -Vt Ce seuil requis est obtenu par connexion de la grille de commande de C 2 à la masse Au moment de la mise en conduction la tension de seuil du transistor devient alors inférieure à sa tension grille source Vseuil vaut -Vt. Comme la pompe de charge concernée, la pompe P 2, ne supporte aucun courant de fuite du fait des petites quantités d'énergie transmise par chaque impulsion du signal PHI, la tension sur le noeud concerné, le noeud B, baisse du fait de la conduction et la programmation s'arrête Il en est de même pour le noeud A et la programmation à Vs-Vt du seuil du transistor Cl. Ainsi le système s'autoprogramme, il suffit d'appliquer la tension de référence Vs sur la grille de Cl Dans certains cas, il faut effacer les deux transistors Cl et C 2 avant la programmation En effet, quelques fois, à la sortie de fabrication, des cellules de type EEPROM on des tensions de seuils inférieures à -Vt (elles peuvent même atteindre -4 Volts). Dans un fonctionnement plus simple, le dispositif peut être remplacé par un autre, un peu moins précis. Dans ce cas le transistor C 2 peut être remplacé par un transistor natif: un transistor normal, pas à grille flottante, et dont le seuil de conduction de l'ordre de 0 Volt est ajusté au moment des étapes de fabrication, par une suppression d'injection d'impuretés dans son canal de conduction Dans un tel dispositif, il n'y aurait qu'une seule cellule EEPROM de détection Ce dispositif se déclenche alors à Vcc = Vs Cependant ce dispositif est moins précis car les tensions de seuil des deux transistors Cl et C 2 ne changent alors pas de la même façon en fonction de la température Avec un dispositif ainsi simplifié une variation de l'ordre de 0,2 à 0,3 Volts peut être observée en tolérance de la valeur de la tension de déclenchement en fonction de la température. Le dispositif décrit ci-dessus permet de résoudre les problèmes relatifs au choix des tensions de déclenchement internes à un circuit De plus ce circuit est indépendant des paramètres du procédé de fabrication ainsi que de la température La solution proposée permet de satisfaire le besoin de tous les types de circuits, notamment pour les cartes à puces Il a par ailleurs l'avantage d'avoir une consommation très basse, inférieure à 1 microampère, et donc s'applique également à tous les circuits basse consommation. La stabilité du dispositif dépend de la faculté de rétention des charges sur les grilles flottantes des transistors Ci et ou C 2 En effet les charges stockées sur une grille flottante d'une cellule EEPROM peuvent fuir légèrement Les mesures ont été effectuées sur des cellules existantes Il en résulte que le changement de la tension de seuil d'une cellule EEPROM est de l'ordre de 0,2 Volts en 10 ans C'est donc la marge qu'il faut prendre par rapport à la tension de déclenchement désirée au moment de la programmation du dispositif. Le signal S est ensuite exploité dans le circuit par exemple pour neutraliser son fonctionnement. REVENDICATIONS 1 Circuit de déclenchement automatique, notamment de remise à zéro, comportant un comparateur de tension recevant un premier niveau de tension de référence à surveiller par rapport à un deuxième niveau de tension de référence, et produisant une variation d'un signal de sortie lorsqu'une différence de tension à surveiller franchit un seuil, caractérisé en ce qu'il comporte un miroir de courant à deux branches, ce miroir étant branché entre une alimentation électrique continue et une masse, chaque branche comportant un transistor de réglage du courant ces deux transistors étant montés ensemble en miroir, dans chacune des branches, en aval des transistors de réglage, un transistor de détection, un au moins de ces transistors de détection étant un transistor à grille flottante, les deux branches étant réunies en aval des deux transistors de détection à un transistor de couplage à la masse. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans une branche, entre le transistor de réglage et le transistor de détection à grille flottante, on intercale un transistor de découplage pour permettre la programmation du transistor de détection à grille flottante. 3 Circuit selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que dans chaque branche on intercale des transistors de détection à grille flottante, la différence des seuils de conduction entre les deux transistors à grille flottante étant égale à la différence de tension à surveiller pour constituer un circuit de déclenchement indépendant de la température ou de la valeur d'une tension d'alimentation. 4 Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe de charge à débit de courant limité pour programmer chaque transistor de détection. Circuit selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, les transistors à grille flottante sont du type EEPROM. 6 Circuit selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (T 12, T 13, Pi, P 2) de programmation des transistors à grille flottante muni: de pompe de charge (Pi, P 2) pour appliquer une tension de programmation, d'un premier circuit (T 6) pour appliquer un premier potentiel de référence (Vt) sur un des transistors à grille flottante, d'un deuxième circuit (Ti 3) pour appliquer un deuxième potentiel de référence sur un autre transistor à grille flottante, et d'un troisième circuit (T 9, T 12) pour provoquer la programmation simultanée des deux transistors à grille flottante.