Brevet FR2719134A1 — publié le 19951027

CIRCUIT REGULATEUR AVEC REFERENCE ZENER L'invention concerne un circuit régulateur de tension, utilisant une diode Zener pour produire une tension de référence stable, des moyens de comparaison pour comparer une tension d'alimentation avec cette tension de référence, et des moyens de régulation pour limiter la tension d'alimentation en conséquence. Il trouve, par exemple, une application pour limiter la valeur de la tension de sortie d'un circuit multiplicateur de tension, par exemple au sein d'une mémoire électrique programmable. Dans nombre d'applications électroniques, on est amené à utiliser des circuits pour produire des tensions analogiques d'alimentation adaptées au bon fonctionnement de l'application. On peut ainsi, à partir d'une alimentation de base, pile ou secteur, être amené à développer des circuits permettant de diminuer ou augmenter la tension d'alimentation de base disponible. Par exemple, on ne pourra alimenter directement en 220 Volts un microprocesseur d'un ordinateur branché sur le secteur, sous peine de destruction. A l'opposé, si on souhaite réaliser un appareil de mesure de fortes impédances alimenté par une pile, on sera amené à développer un circuit d'alimentation à découpage afin de bénéficier de courants de mesure suffisants. Un circuit donné pourra également être composé de différents modules nécessitant la production de tensions d'alimentation propres à ces modules. Par exemple, si on souhaite alimenter un microcontrôleur, composé au moins d'un microprocesseur et d'une mémoire morte, on pourra être amené à produire des tensions d'alimentation de valeurs différentes pour le microprocesseur et la mémoire. En effet, si on considère une mémoire de type MOS organisée matriciellement en cellules composées de transistors MOS, on pourra être obligé de prévoir des circuits d'alimentation internes à celle-ci pour produire des tensions spécifiques afin de polariser les grilles de commande de ces transistors. Typiquement, on produira à l'aide de multiplicateurs de tension des tensions d'alimentation supérieures à la tension nominale du circuit (de l'ordre de 3 à 5 Volts). Classiquement, un circuit multiplicateur de tension (appelé aussi pompe de charge), permet de produire une tension de sortie, à partir d'une tension d'alimentation reçue, en chargeant et en déchargeant un ou plusieurs condensateurs consécutivement, de telle façon que la tension de sortie soit supérieure à la tension d'alimentation reçue. La tension de sortie augmente progressivement pour atteindre une valeur asymptotique égale typiquement à un multiple de la tension d'alimentation reçue. Par exemple, pour produire une tension de sortie égale à deux fois la tension reçue, on peut utiliser un circuit dit "doubleur de Schenkel". Un inconvénient de ce type de circuit est que la tension de sortie augmente de moins en moins rapidement au fur et à mesure du temps. On est donc amené, pour diminuer le temps nécessaire pour atteindre la tension de sortie voulue, à surdimensionner le multiplicateur et à le limiter en sortie. Par exemple, au lieu d'utiliser un circuit qui double la tension reçue, on utilise un circuit qui la triple et on limite la tension de sortie à deux fois la tension reçue une fois que cette valeur est atteinte. Pour limiter ainsi la valeur de la tension de sortie, on peut utiliser typiquement un régulateur parallèle. Les régulateurs contiennent trois éléments de base: une tension de référence de précision, un amplificateur d'erreur et un élément de commande de puissance. Les différents sous-ensembles d'un régulateur sont connectés en une boucle de contre-réaction négative de telle sorte que la tension de sortie est contrôlée et reste constante. Le plus simple des régulateurs consiste en une diode Zener connectée en parallèle sur une charge alimentée par la tension de sortie. Par charge, on entend par exemple la capacité équivalente à un ensemble de grilles de commande de transistors MOS d'une mémoire. Un inconvénient de ce type de régulateur est de fixer la tension de sortie à une fois ou à un multiple (dans le cas de plusieurs diodes montées en série) de la tension inverse d'une diode Zener. Ainsi, on ne peut limiter la tension à une valeur plus faible que la tension inverse de la diode Zener. En effet, il faut alimenter la diode à une tension supérieure à cette tension inverse pour obtenir cette valeur de référence. Or, comme on souhaite de plus en plus développer des produits qui fonctionnent avec une tension d'alimentation basse, de l'ordre de 3 Volts. Si on souhaite par exemple produire une tension de 4,5 Volts, on ne pourra alimenter une diode dont la valeur de tension inverse est de 5,5 Volts dans l'état actuel de la technique. Classiquement, on connaît également, dans le cas o la tension de sortie désirée est supérieure à la tension inverse d'une diode Zener de référence, des régulateurs, o l'on connecte en parallèle à la charge, un transistor commandé par la sortie d'un comparateur. En entrée de ce comparateur, on compare la tension inverse à une fraction de la tension de sortie prélevée à l'aide d'un pont diviseur de tension. On pourrait donc imaginer d'adapter ce système en divisant ainsi la tension de référence. Cette solution n'est pas acceptable. En effet, cela implique de monter une chaîne résistive en parallèle avec une charge capacitive et à diminuer ainsi le temps de montée de la tension de sortie (on est dans l'hypothèse d'un circuit multiplicateur de tension qui ne fonctionne correctement que pour alimenter des circuits capacitifs). On ne peut également pas comparer directement la tension inverse et la tension à limiter. D'une part c'est impossible si on souhaite limiter cette tension de sortie à une valeur inférieure à la valeur de la tension inverse et, d'autre part, dans le cas contraire, on se heurte à un problème de fonctionnement du comparateur, si la tension d'alimentation disponible pour ce comparateur est inférieure aux tensions à comparer. Au vu de ce qui précède, le but de la présente invention est de proposer un circuit de régulation de tension qui permette de limiter une tension à une valeur inférieure à une tension de référence, ces deux tensions étant supérieures à une tension d'alimentation. Suivant l'invention, ce but est atteint par - un circuit régulateur de tension pour limiter une tension d'alimentation interne produite par un circuit d'alimentation, ce circuit régulateur comprenant une diode Zener pour produire une tension de référence, et - un comparateur à deux entrées pour commander des moyens de limitation afin de réguler la tension d'alimentation interne, caractérisé en ce qu'il comprend un étage différentiel dissymétrique comprenant deux entrées et deux sorties, - la première entrée étant connectée à la grille de commande d'un premier transistor monté en série avec une première résistance entre une borne d'entrée d'alimentation recevant une tension d'alimentation et une borne de référence recevant une tension de référence, - la deuxième entrée étant connectée à la grille de commande d'un deuxième transistor monté en série avec une deuxième résistance entre la borne d'entrée d'alimentation et la borne de référence. - la première sortie étant formée par le point milieu des premiers transistor et résistance, - la deuxième sortie étant formée par le point milieu des deuxièmes transistor et résistance, et en ce que la première et la deuxième sorties sont connectées aux entrées du comparateur, Dans un mode de réalisation préféré: - le circuit comporte un circuit multiplicateur de tension pour alimenter sur une sortie la diode Zener, les moyens de limitation comprennent une résistance montée en série avec un transistor de limitation, - le transistor de limitation a sa grille de commande connectée à la sortie du comparateur, - les moyens de limitation comprennent un deuxième transistor de limitation dont la grille de commande est connectée à la sortie du circuit multiplicateur de tension, le circuit comprend des moyens de commande pour inhiber le circuit régulateur de tension quand un signal binaire de commande de limitation est dans un premier état. Ainsi, on résout le problème de l'alimentation de la diode Zener car elle n'est plus alimentée par le circuit produisant la tension interne. D'autre part, la tension interne et la tension de référence étant appliquées à des grilles de commande de transistors, on ne prélève plus de courant sur une éventuelle charge capacitive pour produire des tensions de comparaison plus basses. Pour fixer la valeur maximale de la tension interne, il suffira de déterminer en conséquence les valeurs des résistances de l'étage différentiel. On pourra ainsi fixer une valeur maximale inférieure à la valeur de la tension de référence. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après d'un exemple de réalisation préféré. Cette description n'est donnée qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention, et est illustrée par les figures suivantes: - figure 1: circuit réalisé conformément à l'invention, - figure 2: circuit multiplicateur de tension utilisé pour produire le signal de décharge, - figure 3: variante du circuit réalisé conformément à l'invention et comprenant des moyens de sélection pour désactiver le circuit de limitation. La figure 1 illustre un circuit intégré 1 comprenant un circuit régulateur de tension 2. On notera que la description se fait en référence à un circuit intégré comprenant un circuit multiplicateur de tension et un circuit régulateur de tension, l'invention pouvant être avantageusement utilisée dans une mémoire de type électriquement programmable. On pourrait néanmoins, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer que le circuit régulateur de tension est implanté dans un circuit intégré indépendant, voire que ce circuit soit réalisé à l'aide de composants discrets. Ce circuit 1 comprend: - une première borne d'entrée d'alimentation 3 pour recevoir une tension d'alimentation VCC, - une deuxième borne d'entrée de référence 4 pour recevoir une tension de référence GND. En pratique, la deuxième borne d'entrée 4 est une masse. Dans un exemple, VCC vaudra 3 Volts. Le circuit 1 comprend par ailleurs un premier multiplicateur de tension 5 et un circuit capacitif 6 alimenté par ce circuit multiplicateur de tension 5. Le circuit multiplicateur de tension 5 comprend un oscillateur 7 alimenté par la tension d'alimentation VCC et la masse délivrant un signal d'horloge CK. Le signal d'horloge CK est appliqué à la première borne d'un condensateur 8 dont la deuxième borne est connectée à la borne d'alimentation 3 par le biais d'une diode 9 et à une borne de sortie 11 par le biais d'une diode d'isolation 11. On. modélise le circuit capacitif 6 par un condensateur 12 connecté entre la borne de sortie 11 et la masse 4. On se place ainsi dans l'hypothèse d'un circuit multiplicateur de Schenkel qui double la tension d'alimentation VCC. On appelle tension interne VBS la tension présente sur la borne de sortie 11. C'est cette tension VBS que l'on souhaite limiter. Dans un exemple, on limitera VBS à 4,5 Volt soit à une valeur maximale comprise entre la valeur de la tension d'alimentation VCC et la valeur maximale pouvant être atteinte par le doubleur de Schenkel. Le condensateur 12 modélise par exemple un ensemble de grilles de commande de transistors à effet de champ utilisés dans des cellules de mémorisation d'une mémoire morte électriquement programmable. Le circuit régulateur 2 comprend: - une entrée 12 pour recevoir la tension interne VBS, - des moyens de référence 13, 14 et 29 à 31 pour produire une tension de référence VREF, - un comparateur 15 à deux entrées pour commander des moyens de limitation 16 à 18 pour limiter la valeur de la tension interne VBS à une valeur maximale VBSM, - un étage différentiel 19 recevant la tension interne VBS et la tension de référence VREF. Les moyens de référence comportent une diode Zener 13 dont l'anode est connectée à la masse 4 et dont la cathode est connectée à la sortie 20 d'un deuxième circuit multiplicateur de tension 14, illustré à la figure 2, par le biais d'une diode 31 et d'un condensateur 29. Dans un exemple, on considère que la tension inverse de la diode Zener est de 5,5 Volts, c'est-à-dire supérieure à la fois à la tension interne maximale VBS et à la tension d'alimentation VCC. Le circuit multiplicateur de tension 14 comprend un condensateur 20 qui reçoit sur une de ses bornes un signal d'.horloge CK. Dans un exemple, ce signal d'horloge est identique au signal d'horloge délivré par l'oscillateur du premier circuit multiplicateur de tension 5. Le circuit 14 pourrait également comporter un oscillateur pour délivrer un signal d'horloge différent. La deuxième borne du condensateur 20 est connectée à la borne d'alimentation 3 par le biais d'un transistor de type N 22. La grille de commande de ce transistor 22 reçoit le signal d'horloge CK par le biais d'un inverseur 21. Ainsi, cette deuxième borne va âtre alternativement portée au potentiel de VCC quand le signal d'horloge CK sera à l'état bas (potentiel de masse) et à 2*VCC quand ce signal CK sera à l'état haut (potentiel de VCC). Le circuit multiplicateur de tension 14 comporte également un commutateur 32. Ce.commutateur 32 reçoit, sur une entrée 34, le signal d'horloge CK. Ce signal d'horloge CK est appliqué à l'entrée d'un inverseur composé de deux transistors 27 et 28, de type respectivement P et N, montés en série entre la borne d'alimentation 3 et la masse 4. Cet inverseur délivre donc sur sa sortie le signal d'horloge CK. Le commutateur 32 comporte par ailleurs deux branches composées de deux transistors de type respectivement P et N montés en série entre une entrée 33 et la masse 4. L'entrée 33 est connectée à la deuxième borne du condensateur 20. Le transistor de type N 25 de la première branche a sa grille de commande connectée à l'entrée de l'inverseur. Le transistor de type N 26 de la seconde branche a sa grille de commande connectée à la sortie de ce même inverseur. Le transistor de type P 23 de la première branche a sa grille de commande connectée au point milieu des transistors 24 et 26 de la seconde branche. Le transistor de type P 24 de la seconde branche a sa grille de commande connectée au point milieu des transistors 23 et 25 de la première branche. Le commutateur comporte enfin une sortie, correspondant à la sortie 20 du circuit multiplicateur de tension 14. Cette sortie est connectée au point milieu des transistors 24 et 26 de la deuxième branche du commutateur. La sortie 20 du circuit multiplicateur de tension 14 est donc soit au potentiel de masse, soit à 2 * VCC suivant que le signal d'horloge CK est bas ou haut. On a ainsi une manière d'alimenter la diode Zener 13 à partir de la tension d'alimentation VCC. Pour pallier à d'éventuelles pertes, dues par exemple à des capacités parasites, on pourra envisager de rajouter un étage de multiplication en connectant la sortie 20 du circuit 14 à une première borne d'un condensateur 29. On connectera la deuxième borne de ce condensateur 29 à la borne d'alimentation 3 par le biais d'un transistor de type N 30 monté en diode. On connectera la cathode de la diode Zener 13 à la deuxième borne de ce condensateur 29 par le biais d'un transistor de type N 31 monté en diode. On alimentera ainsi la diode Zener 13 avec une tension pouvant atteindre 3*VCC. Pour limiter le courant inverse traversant la diode Zener 13, on prendra soin de choisir un rapport largeur de grille sur longueur de grille tel que le transistor de type N 31 soit résistif (par exemple en prenant un rapport 2/5, les dimensions étant exprimées en micromètres). Dans le cas o on se passerait du dernier étage de multiplication, c'est du transistor de type 24 du commutateur 32 que dépendra la valeur du courant inverse parcourant la diode Zener 13. L'étage différentiel 19 du circuit de limitation 2 comprend deux entrées et deux sorties. La première entrée de l'étage 19 est connectée à la grille de commande d'un transistor de type N 35 monté en série avec une résistance 36 entre la borne d'alimentation 3 et la masse 4. La deuxième entrée de l'étage 19 est connectée à la grille de commande d'un transistor de type N 37 monté en série avec une résistance 38 entre la borne d'alimentation 3 et la masse 4. La première sortie de cet étage 19 est formée par le point milieu du transistor 35 et de la résistance 36. La seconde sortie de cet étage 19 est formée par le point milieu du transistor 37 et de la résistance 38. On appellera R1 la valeur de la résistance 36, Il le courant parcourant la branche formée de cette résistance 36 et du transistor 35, et Vl la tension présente sur la première sortie. On appellera RO la valeur de la résistance 38, I0 le courant parcourant la branche formée de cette résistance 38 et du transistor 37, et V0 la tension présente sur la deuxième sortie. L'étage différentiel reçoit VBS sur sa première entrée et VREF sur sa deuxième entrée. On a V1 = VCC - R * Il et V0 = VCC - RO * IO. Si on considère des transistors 35 et 37 identiques, les tensions Vl et V0 seront fonction des valeurs des résistances Rl et R0, et des tensions d'entrée VBS et VREF. Le comparateur 15 comporte classiquement deux branches constituées chacune de deux transistors de type respectivement P et N montés entre la borne d'alimentation 3 et la masse 4. Les transistors P 39 et , de la première et la seconde branches, forment une l1 source de courant. Leurs grilles de commande sont reliées et celle du transistor 40 de la seconde branche est connectée au drain de ce même transistor 40. Le transistor de type N 41 de la première branche reçoit V0 sur sa grille de commande (entrée du comparateur), et le transistor de type N 42 de la seconde branche reçoit Vl sur sa grille de commande (entrée + du comparateur). Ainsi,si VBS V0 et si VBS > R1/R0 * VREF alors Vl Dans l'exemple considéré, on R1/R0 _ 0,8. Par ailleurs, on fixera les valeurs de R1 et R0 de telle manière que les tensions V0 et Vl soient inférieures à VCC, afin que le comparateur fonctionne correctement. La sortie du comparateur 15 est formée par le point milieu des transistors de la première branche de se comparateur. On appellera CONTROL le signal en sortie du comparateur. Si Vi > V0, alors CONTROL est au 0 logique (potentiel de masse). Si Vl (potentiel VCC). Les moyens de limitation du circuit de limitation de tension 2 comportent: - des transistors de limitation de courant de type N 16 et 17 montés en diode et placés en série, - un premier transistor de limitation de tension de type N 43 monté en série avec les transistors 16 et 17, - un deuxième transistor de limitation de tension de type N 18 monté en série avec le premier transistor 18 et dont la source est connectée à la masse 4. La grille de commande du premier transistor de limitation 43 est connectée à la sortie 20 du circuit multiplicateur de tension 14. La grille de commande du deuxième transistor de limitation 18 est connectée à la sortie d'un inverseur 50 dont l'entrée est connectée à la sortie du comparateur 15. La grille de commande du transistor 18 reçoit donc le signal /CONTROL. Les transistors 16 et 17 permettent de limiter le courant circulant dans les moyens de limitation. On évite ainsi une décharge trop rapide du condensateur équivalent 12 quand il est relié à la masse par le biais des transistors de limitation. Le transistor de limitation 17 permet de ne limiter la tension interne VBS que dans la mesure o l'on dispose effectivement d'une tension de référence VREF égale à la tension inverse de la diode Zener. Ce n'est pas gênant dans la mesure o le signal d'horloge CK est commun aux deux circuits multiplicateurs de tension 6 et 14. Si ce transistor était absent, cela serait gênant puisque on limiterait la tension de sortie VBS à chaque fois que le signal d'horloge CK serait à l'état bas, les courants n'étant alors plus comparables dans les branches de l'étage différentiel 19. D'autre part, comme on s'intéresse à la limitation d'une tension obtenue à l'aide d'un circuit multiplicateur de tension, l'absence de limitation n'est pas dommageable dans la mesure o cette absence se produit alors que l'on ne transfère pas de charges en sortie de ce circuit. En effet, la tension présente aux bornes du condensateur équivalent 12 sera alors constante ou dégressive, mais ne pourra en aucun cas augmenter. La figure 3 représente une partie du circuit régulateur 2 dans le cas o l'on souhaiterait inhiber la limitation de tension. Le circuit régulateur 2 comportera une entrée 44 pour recevoir un signal de commande binaire CLAMP. En ce qui concerne le comparateur 15, on ajoutera un transistor de type P 45 un parallèle avec le transistor de type P 39 de la première branche. D'autre part, on connectera la grille de commande du transistor de type N 41 de cette même branche au drain d'un transistor de type N 47 dont la source est connectée à la masse 4. La grille de commande de ce transistor 47 sera connectée à la sortie d'un inverseur 48 dont l'entrée sera connectée à l'entrée 44. Cette grille de commande recevra donc le signal /CLAMP. D'autre part, on pourra connecter en série un transistor de type N 46 recevant le signal CLAMP sur sa grille de commande, entre les sources des transistors de type N 41 et 42 du comparateur et la masse 4. En ce qui concerne l'étage différentiel 19, les résistances 36 et 38 seront constituées de transistors de type P recevant le signal /CLAMP sur leurs grilles de commande et on montera un transistor de type N 49 en parallèle avec la résistance 38, la grille de commande de ce transistor 49 recevant le signal /CLAMP sur sa grille de commande. Ainsi, quand on aura CLAMP = 0, on aura V1 = VCC, V0 = 0, CONTROL = 1 et /CONTROL = 0. Si CLAMP = 1, alors on aura CONTROL = 0 ou 1 suivant les valeurs respectives de V0 et Vl. REVENDICATIONS 1 - Circuit régulateur de tension (2) pour limiter une tension d'alimentation interne (VB) produite par un circuit d'alimentation, ce circuit régulateur comprenant une diode zener (13) pour produire une tension de référence (VREF), et - un comparateur (15) à deux entrées pour commander des moyens de limitation afin de réguler la tension d'alimentation interne, caractérisé en ce qu'il comprend un étage o différentiel dissymétrique (19) comprenant deux entrées et deux sorties, la première entrée étant connectée à la grille de commande d'un premier transistor (35) monté en série avec une première résistance (36) entre une borne d'entrée d'alimentation recevant une tension d'alimentation et une borne de référence recevant une tension de référence, - la deuxième entrée étant connectée à la grille de commande d'un deuxième transistor (37) monté en série avec une deuxième résistance (38) entre la borne d'entrée d'alimentation et la borne de référence. - la première sortie étant formée par le point milieu des premiers transistor et résistance, - la deuxième sortie étant formée par le point milieu des deuxièmes transistor et résistance, et en ce que la première et la deuxième sorties sont connectées aux entrées du comparateur. 2 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit multiplicateur de tension (14) pour alimenter sur une sortie (20) la diode Zener. 3 - Circuit selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les moyens de limitation comprennent une résistance montée en série avec un transistor de limitation (18). 4 - Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que le transistor de limitation a sa grille de commande connectée à la sortie du comparateur. - Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de limitation comprennent un deuxième transistor de limitation (43) dont la grille de commande est connectée à la sortie du circuit multiplicateur de tension. 6 - Circuit selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande pour inhiber le circuit régulateur de tension quand un signal binaire de commande de limitation est dans un premier état. 7 - Circuit intégré caractérisé en ce qu'il comprend d'une part un circuit d'alimentation pour produire une tension d'alimentation interne, et d'autre part un circuit régulateur de tension défini selon l'une des revendications 1 à 6. 8. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation est un circuit multiplicateur de tension et en ce que la tension d'alimentation interne est plus grande que la tension d'alimentation. 9 - Circuit selon l'une des revendications des 7 à 8, caractérisé en ce que ce circuit est une mémoire électriquement programmable.