Brevet FR2727534A1 — publié le 19960531

REGULATEUR DE TENSION POUR CIRCUIT LOGIQUE EN MODE COUPLÉ La présente invention concerne une source de tension de référence destinée à commander une source de courant d'un circuit logique en mode couplé (CML). Elle s'applique plus par- ticulièrement à la réalisation d'un régulateur de tension des- tiné à fonctionner sous une faible tension d'alimentation de 3 volts. Les circuits en logique en mode couplé se répartis- sent essentiellement en deux catégories. Les circuits logiques à émetteurs couplés (ECL) sont réalisés à partir de transistors bipolaires. Les circuits logiques à sources couplées (SCL) sont réalisés à partir de transistors MOS. Dans tout circuit logique, on cherche à obtenir une tension d'alimentation la plus basse possible afin d'engendrer une consommation d'énergie minimale. Cependant, la valeur mini- male de la tension d'alimentation est limitée par les circuits utilisés pour fournir aux sources de courants du circuit logi- que, une tension de référence stable en cas de variation de la tension d'alimentation Vcc ou de la température de fonctionne- ment. Ceci afin de maintenir constant l'écart de niveau d'en- trée ou de sortie d'une porte logique. Cet écart peut s'expri- mer pour une logique ECL comme étant la différence de potentiel AV entre deux sorties complémentaires de la porte logique. Pour une logique SCL, cet écart peut s'exprimer comme étant la dif- férence de potentiel AV entre deux entrées complémentaires de la porte logique. L'écart AV entre deux niveaux d'une porte logique qu'il s'agisse d'une logique ECL ou SCL est par exemple de 0,4 volts. Le choix entre les deux technologies (bipolaire ou MOS) des circuits logiques dépend de la destination du circuit. Par exemple, si l'on privilégie la rapidité de commutation des portes logiques, celles-ci sont généralement réalisées en logi- que à émetteurs couplés. Dans des circuits BICMOS faisant appel sur une même puce aux deux technologies bipolaire et CMOS, on peut avoir recours aux deux catégories de circuits logiques. Cependant, les régulateurs de tension destinés à commander les sources de courant sont alors réalisés respectivement au moyen de transis- tors bipolaires pour les logiques ECL et au moyen de transis- tors MOS pour les logiques SCL. De plus, les régulateurs connus utilisant des transistors bipolaires ne permettent pas de dimi- nuer la tension d'alimentation à une valeur de l'ordre de 3 volts. L'invention vise à proposer un régulateur de tension réalisé en technologie BICMOS qui puisse être destiné à des sources de courant d'un circuit logique ECL ou SCL tout en autorisant une faible tension d'alimentation d'environ 3 volts. Pour atteindre cet objet, la présente invention pré- voit un régulateur de tension destiné à commander au moins une source de courant d'au moins une porte logique en mode couplé et qui comporte une première source de courant réalisée en technologie bipolaire montée entre la masse et une première résistance connectée à une tension d'alimentation, ladite pre- mière source étant commandée par la tension aux bornes d'une seconde résistance qui est traversée par un courant fourni par une deuxième source de courant réalisée en technologie MOS, la valeur du courant de ladite deuxième source déterminant le potentiel d'une borne de sortie du régulateur par reproduction de ce courant sur une troisième source de courant montée en miroir sur la deuxième source. Selon un mode de réalisation de l'invention, ladite deuxième source de courant est constituée d'un transistor MOS à canal P dont la source est connectée à la tension d'alimenta- tion, dont la grille est reliée à son propre drain et à la grille d'un transistor MOS à canal P constitutif de la troi- sième source de courant, le drain dudit transistor MOS de la troisième source de courant constituant la borne de sortie du régulateur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le régu- lateur comporte une première source de tension réalisée en technologie bipolaire et montée en série avec une seconde source de tension de sens opposé permettant le report de la tension aux bornes de la première source de courant aux bornes de la seconde résistance. Selon un mode de réalisation de l'invention, le régu- lateur comporte en outre des interrupteurs de suppression de toute consommation d'énergie du régulateur hors de ses périodes d'utilisation. Selon un mode de réalisation de l'invention, ladite première source de courant est constituée de deux transistors bipolaires de type NPN montés en miroir, l'émetteur d'un pre- mier transistor étant connecté à la masse par l'intermédiaire de deux résistances montées en série tandis que l'émetteur d'un second transistor est relié au point de liaison entre lesdites deux résistances, les bases des deux transistors constituant une borne de commande de la source de courant tandis que le collecteur du second transistor en constitue une borne de sor- tie reliée à la première source de tension. Selon un mode de réalisation de l'invention, ladite première source de tension est constituée d'un transistor bipo- laire de type PNP dont le collecteur est connecté à la masse, dont la base est reliée au second transistor de la première source de courant et dont l'émetteur est relié à la grille d'un transistor MOS à canal N constitutif de la seconde source de tension, la source dudit transistor MOS de la seconde source de tension étant connectée à la masse tandis que son drain est relié au drain du transistor MOS de la deuxième source de courant. Selon un mode de réalisation de l'invention, le régu- lateur comporte en outre trois transistors MOS à canal P dont les sources sont connectées à la tension d'alimentation par l'intermédiaire d'un premier interrupteur, dont les grilles sont reliées à un dispositif d'aide au démarrage et dont les drains sont respectivement reliés aux collecteurs des transis- tors de la première source de courant et à l'émetteur du tran- sistor constitutif de la première source de tension. Selon un mode de réalisation de l'invention, une source de courant d'une porte logique est constituée d'un tran- sistor MOS à canal N à grille et drain reliés, le drain dudit transistor étant raccordé à la borne de sortie du régulateur et sa source étant connectée à la masse. Selon un mode de réalisation de l'invention, le régu- lateur comporte un convertisseur tension-courant monté entre la borne de sortie du régulateur et la masse, ledit convertisseur étant constitué d'un transistor bipolaire de type NPN dont l'émetteur est connecté à la masse par l'intermédiaire d'une résistance et dont le collecteur est relié à ladite borne de sortie; une source de courant d'une porte logique étant cons- tituée d'un transistor bipolaire de type NPN dont l'émetteur est connecté à la masse par l'intermédiaire d'une résistance et qui est monté en miroir sur le transistor dudit convertisseur tension-courant. Selon un mode de réalisation de l'invention, le régu- lateur comporte en outre un transistor bipolaire de type NPN de compensation des courants de base de la source de courant de la porte logique, la base dudit transistor de compensation étant reliée à la borne de sortie du régulateur tandis que son collecteur est connecté à la tension d'alimentation et que son émetteur est relié à la base du transistor dudit convertisseur tension-courant. 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 à titre non limitatif en relation avec les figures join- tes parmi lesquelles: la figure 1 est un schéma de principe d'un mode de réalisation d'un régulateur de tension selon l'invention; la figure 2 est un schéma détaillé d'un mode de réa- lisation d'un régulateur selon l'invention destiné à des sour- ces de courant réalisées en technologie MOS; et la figure 3 est le schéma détaillé d'un mode de réa- lisation d'un régulateur selon l'invention destiné à des sour- ces de courant réalisées en technologie bipolaire. Un régulateur de tension selon l'invention tel que représenté à la figure 1 comporte une première source de cou- rant 11 commandée par la tension aux bornes d'une résistance R21 placée entre la masse et un noeud C du circuit. La source 11, réalisée en technologie bipolaire, est placée entre la masse et une première source de tension 12 qui est connectée à la tension d'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance R22. Le noeud de connexion entre la résistance R22 et la source de tension 12 est relié au noeud C par l'intermédiaire d'une seconde source de tension 13. Le noeud C est connecté à la ten- sion d'alimentation Vcc par l'intermédiaire d'une deuxième source de courant 14 réalisée en technologie MOS. Une troisième source de courant 15, également en technologie MOS, est montée en miroir sur la source 14 et est reliée à une borne de sortie S du régulateur. La valeur de la tension de sortie Vcs sur la borne S est fixée par la valeur de la résistance R21 et du cou- rant I fourni par la source de courant 14 et miroité sur la source 15. En effet, le potentiel de la borne de sortie S est égal au potentiel du noeud C qui correspond au produit de la résistance R21 par le courant I. Or le potentiel du noeud C est régulé en fonction de la température au moyen de la source 11. De plus, ce potentiel étant fixé par la source 11 par rapport à la masse, il est indépendant de la tension d'alimentation Vcc. Le rôle de la source de tension 12 est de compenser la chute de tension apportée par la source 13 qui constitue un suiveur de tension permettant de reporter la tension aux bornes de la source 11 sur le noeud C. Une variation de la température se traduit par une variation de la valeur de la résistance R21. Cette variation est compensée par une variation du potentiel du noeud C par l'intermédiaire de la source 11. Ainsi, le potentiel Vcs de la borne de sortie S délivré aux bornes d'une charge Q est indé- pendant de la température et de la tension d'alimentation Vcc. La tension minimale d'alimentation du régulateur selon l'invention peut être faible, comme on le montrera en relation avec chacun des modes de réalisation décrits ci-après. Un avantage de la présente invention est qu'un tel régulateur peut servir à commander des sources de courant qui sont réalisées soit en technologie bipolaire, soit en technologie MOS. Si la technologie utilisée pour les sources de cou- rant du circuit logique est une technologie MOS, la charge Q telle que représentée à la figure 1 est directement constituée par ces sources de courant. La figure 2 illustre cette application. Si la technologie des sources de courant du circuit logique est une technologie bipolaire, l'invention prévoit une adaptation de la sortie du dispositif pour permettre une com- mande en courant à partir de la source 15 qui est en technolo- gie MOS. La figure 3 illustre cette application. La figure 2 représente le schéma d'un régulateur tel que représenté à la figure 1 pour la commande de sources de courant d'un circuit logique réalisées à base de transistors MOS. La source de courant 11 est constituée de deux tran- sistors bipolaires de type NPN Tll et T12 liés par un facteur de surface et dont les bases sont reliées entre elles et à une première borne de la résistance R21. L'autre borne de la résis- tance R21 est connectée à la masse. L'émetteur du transistor Tll est connecté à la masse par l'intermédiaire de deux résis- tances R23 et R24 montées en série. La liaison entre ces deux résistances est reliée à l'émetteur du transistor T12. Les col- lecteurs des transistors Tll et T12 sont respectivement reliés aux drains de deux transistors MOS à canal P MP11 et MP12 dont les grilles sont reliées ensemble et au drain du transistor MPll. Les sources des transistors MPll et MP12 sont connectées ensemble à la tension d'alimentation Vcc par l'intermédiaire d'un premier interrupteur 16 dont le rôle sera expliqué plus loin. Le collecteur du transistor T12 qui constitue la sor- tie de la source de courant 11 est connecté à la base d'un transistor bipolaire T13 de type PNP constituant la source de tension 12. Le collecteur du transistor T12 est connecté à la masse et son émetteur est relié au drain d'un transistor MOS à canal P MP13 ainsi qu'à la grille d'un transistor MOS à canal N MN13. Les transistors MPll, MP12 et MP13 correspondent à la résistance R22 symbolisée à la figure 1. La grille du transis- tor MP13 est reliée au drain du transistor MPIl qui constitue une borne d'entrée START d'un dispositif d'aide au démarrage du régulateur. En effet, à la mise sous tension du circuit, il est nécessaire de forcer le potentiel de la grille des transistors MPll, MP12 et MP13 pour qu'il soit inférieur à la tension d'alimentation Vcc diminuée de la chute de tension due à la résistance interne de l'interrupteur 16 à l'état fermé. Le dis- positif d'aide au démarrage est un dispositif classique qui n'est pas représenté. La borne d'entrée START pourra le cas échéant correspondre à l'émetteur du transistor Tii. Le transistor MN13 constitue la source de tension 13 du schéma représenté à la figure 1. La source de ce transistor est connectée à la masse par l'intermédiaire de la résistance R21 tandis que son drain est relié au drain d'un transistor MOS à canal P MP14. Le transistor MP14 constitue la source de cou- rant 14. Sa source est connectée à la tension d'alimentation Vcc tandis que sa grille est reliée à son drain et à la grille d'un transistor MOS à canal P MP15. Ce transistor MP15 consti- tue la source de courant 15 et sa source est connectée à la tension d'alimentation Vcc tandis que son drain constitue la borne de sortie S du régulateur. Le régulateur comporte en outre deux autres interrup- teurs 17 et 18. L'interrupteur 17 est constitué d'un transistor MOS à canal N MN14 dont la source est connectée à la masse et dont le drain est relié à la grille du transistor MN13. La grille du transistor MN14 est reliée à une borne de commande PWD. L'interrupteur 18 est constitué d'un transistor MOS à canal N MN15 dont la source est connectée à la masse et dont le drain est relié à la borne de sortie S du régulateur. La grille du transistor MN15 est reliée à la borne de commande PWD. L'in- terrupteur 16 est constitué d'un transistor MOS à canal P MP16 dont la source est connectée à la tension d'alimentation et dont le drain est relié aux sources des transistors MPll, MP12 et MP13. La grille du transistor MP16 est reliée à une borne de commande NPWD. Le rôle des interrupteurs 16, 17 et 18 est de supprimer toute consommation d'énergie du régulateur hors de ses périodes d'utilisation sous l'action d'un signal de com- mande PWD et de son inverse NPWD. Lorsque le régulateur est en fonctionnement, la position des interrupteurs est ainsi fermée pour l'interrupteur 16 (transistor MP16 passant) et ouverte pour les interrupteurs 17 et 18 (transistors MN14 et MN15 bloqués). Un condensateur C est intercalé entre la base du transistor T13 et la masse afin de fournir une masse alterna- tive sur la base du transistor T13. La charge Q est ici constituée d'une (ou plusieurs) source de courant 2 d'une logique SCL. Une telle source est classiquement constituée d'un transistor MOS à canal N MN3 dont la source est connectée à la masse et dont le drain est relié à sa propre grille et aux sources de transistors MOS (non repré- sentés) de la logique à sources couplées. La grille du transis- tor MN3 constitue l'entrée de commande de la source de courant 2. La tension Vcs aux bornes des charges Q est égale à R21*I, o I représente le courant de la source 14. La tension d'alimentation minimale de fonctionnement d'un tel régulateur est d'environ 2,2 volts correspondant à deux tensions seuil de transistors MOS (celles des transistors MP14 et MN13) et à une tension base-émetteur (celle du transistor T12). A titre d'exemple de réalisation, un régulateur tel que représenté à la figure 2 réalisé avec les valeurs de résis- tances et les rapports largeur sur longueur de grille (W/L) suivants pour les transistors MOS permet d'obtenir une plage de fonctionnement en tension d'alimentation de 2,2 à 7 volts et une tension Vcs de 0,4 volts. R21 = 30 kn; R23 = 10,8 k]; R24 = 74,1 kQ; W/L(MP11, MP12) = 40/5; W/L(MP13) = 10/2; W/L(MP14) = 100/3; W/L(MP15) = 600/3; W/L(MP16, MN13) = 100/0,7; W/L(MN14, MN15) = 3/1. La figure 3 représente le schéma d'un régulateur tel que représenté à la figure 1 pour la commande de sources de courant d'un circuit logique réalisées à base de transistors bipolaires. La constitution de ce régulateur est similaire à celle de celui représenté à la figure 2. Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références. La charge Q est ici constituée d'une (ou plusieurs) source de courant 1 d'une porte logique ECL. Une telle source est classiquement constituée d'un transistor bipolaire de type NPN T3 dont l'émetteur est relié à la masse par l'intermédiaire d'une résistance R3 et dont le collecteur est relié aux émet- teurs de transistors bipolaires (non représentés) de la logique à émetteurs couplés. La base du transistor T3 constitue l'en- trée de commande de la source de courant 1. Le drain du transistor MP15 ne constitue plus direc- tement la borne de sortie S du régulateur, mais est relié au collecteur d'un transistor bipolaire de type NPN T14 dont l'émetteur est connecté à la masse par l'intermédiaire d'une résistance R25. Le transistor T14 joue le rôle d'un convertis- seur tension-courant pour permettre la commande en courant des transistors bipolaires T3 des charges Q. Les transistors T3 des charges Q sont montés en miroir sur le transistor T14. L'adjonction du transistor T14 est liée au fait que les sources de courant étant réalisées en technologie bipo- laire, elles sont commandées en courant alors que dans le cas de source en technologie MOS elles sont commandées en tension. Pour compenser les courants de base du transistor T14 et du ou des transistors T3, un transistor bipolaire T15 de type NPN est relié par sa base au drain du transistor MP15 tan- dis que son collecteur est relié à la tension d'alimentation Vcc et que son émetteur est relié à la base du transistor T14. Ce transistor T15 permet de fournir un courant suffisant pour commander un grand nombre de sources 1 au moyen d'un même régulateur. L'interrupteur 18 est ici placé en parallèle sur la résistance R21. L'interrupteur 18 agit désormais sur les bases des transistors Tll et T12. La tension Vcs du régulateur est ici égale à R25*I + Vbel4, o Vbel4 représente la tension base-émetteur du transis- tor T14 et o I représente le courant miroité sur la source 14. Tous les autres constituants sont identiques à ceux du schéma de la figure 2. La tension d'alimentation minimale de fonctionnement d'un tel régulateur est d'environ 2,5 volts correspondant à la tension seuil du transistor MP15 et à deux tensions base- émetteur (celles des transistors T14 et T15). La valeur maxi- male du courant pouvant être délivré pour commander des tran- sistors T3 de sources 1 est d'environ 1 mA, ce qui correspond à une capacité de commande d'environ quatre cents sources 1. A titre d'exemple de réalisation, un régulateur tel que représenté à la figure 3 réalisé avec les valeurs de résis- tances et les rapports W/L suivants pour les transistors MOS permet d'obtenir une plage de fonctionnement en tension d'ali- mentation de 2,5 à 7 volts et une tension Vcs de 0,4 volts. R21 = 30 kfI; R23 = 10,8 k ; R24 = 74,1 kf; R25 = 1 kl; W/L(MP11, MP12) = 40/10; W/L(MP13) = 10/5; W/L(MP14) = 200/6; W/L(MP15) = 2050/10; W/L(MP16, MN13) = 100/0,7; W/L(MN14, MN15) = 3/1. Ainsi, l'invention permet d'utiliser une faible ten- sion d'alimentation d'environ 3 volts que ce soit pour des sources de courant en technologie bipolaire ou MOS. La tension Vcs délivrée par le régulateur est en outre stable en cas de variation de la température et/ou de la tension d'alimentation. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, chacun des composants décrits pourra être remplacé par un ou plusieurs éléments remplissant la même fonction. De plus, le dimensionnement des différents constituants (résistances, rapport W/L des transistors MOS, rapports de surface des transistors bipolaires, etc. ) est à la portée de l'homme du métier en fonction des indications fonc- tionnelles données dans la présente description. REVENDICATIONS 1. Régulateur de tension destiné à commander au moins une source de courant (1; 2) d'au moins une porte logi- que en mode couplé (CML), caractérisé en ce qu'il comporte une première source de courant (11) réalisée en technologie bipo- laire montée entre la masse et une première résistance (R22) connectée à une tension d'alimentation (Vcc), ladite première source (11) étant commandée par la tension aux bornes d'une seconde résistance (R21) qui est traversée par un courant (I) fourni par une deuxième source de courant (14) réalisée en technologie MOS, la valeur du courant (I) de ladite deuxième source (14) déterminant le potentiel d'une borne de sortie (S) du régulateur par reproduction de ce courant sur une troisième source de courant (15) montée en miroir sur la deuxième source (14). 2. Régulateur de tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite deuxième source de courant (14) est constituée d'un transistor MOS à canal P (MP14) dont la source est connectée à la tension d'alimentation (Vcc), dont la grille est reliée à son propre drain et à la grille d'un tran- sistor MOS à canal P (MP15) constitutif de la troisième source de courant (15), le drain dudit transistor MOS (MP15) de la troisième source de courant constituant la borne de sortie (S) du régulateur. 3. Régulateur de tension selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une première source de tension (12) réalisée en technologie bipolaire et montée en série avec une seconde source de tension (13) de sens opposé permettant le report de la tension aux bornes de la première source de cou- rant (11) aux bornes de la seconde résistance (R21). 4. Régulateur de tension selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des interrup- teurs (16, 17, 18) de suppression de toute consommation d'éner- gie du régulateur hors de ses périodes d'utilisation. 5. Régulateur de tension selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite première source de courant (11) est constituée de deux transistors bipolaires de type NPN montés en miroir, l'émetteur d'un premier transistor (Tll) étant connecté à la masse par l'intermédiaire de deux résistan- ces (R23, R24) montées en série tandis que l'émetteur d'un second transistor (T12) est relié au point de liaison entre lesdites deux résistances (R23, R24), les bases des deux tran- sistors (Tll, T12) constituant une borne de commande de la source de courant (11) tandis que le collecteur du second tran- sistor (T12) en constitue une borne de sortie reliée à la pre- mière source de tension (12). 6. Régulateur de tension selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite première source de tension (12) est constituée d'un transistor bipolaire de type PNP (T13) dont le collecteur est connecté à la masse, dont la base est reliée au second transistor (T12) de la première source de courant (11) et dont l'émetteur est relié à la grille d'un transistor MOS à canal N (MN13) constitutif de la seconde source de ten- sion (13), la source dudit transistor MOS (MN13) de la seconde source de tension (13) étant connectée à la masse tandis que son drain est relié au drain du transistor MOS (MP14) de la deuxième source de courant (14). 7. Régulateur de tension selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre trois transistors MOS à canal P (MP11, MP12, MP13) dont les sources sont connectées à la tension d'alimentation (Vcc) par l'intermédiaire d'un pre- mier interrupteur (16), dont les grilles sont reliées à un dis- positif d'aide au démarrage et dont les drains sont respective- ment reliés aux collecteurs des transistors (Tii, T12) de la première source de courant (11) et à l'émetteur du transistor (T13) constitutif de la première source de tension (12). 8. Régulateur de tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une source de cou- rant (2) d'une porte logique est constituée d'un transistor MOS à canal N (MN3) à grille et drain reliés, le drain dudit tran- sistor (MN3) étant raccordé à la borne de sortie (S) du régula- teur et sa source étant connectée à la masse. 9. Régulateur de tension selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un con- vertisseur tension-courant monté entre la borne de sortie (S) du régulateur et la masse, ledit convertisseur étant constitué d'un transistor bipolaire de type NPN (T14) dont l'émetteur est connecté à la masse par l'intermédiaire d'une résistance (R25) et dont le collecteur est relié à ladite borne de sortie (S); et en ce qu'une source de courant (1) d'une porte logique est constituée d'un transistor bipolaire de type NPN (T3) dont l'émetteur est connecté à la masse par l'intermédiaire d'une résistance (R3) et qui est monté en miroir sur le transistor (T14) dudit convertisseur tension-courant. 10. Régulateur de tension selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un transistor bipo- laire de type NPN (T15) de compensation des courants de base de la source de courant (1) de la porte logique, la base dudit transistor de compensation (T15) étant reliée à la borne de sortie (S) du régulateur tandis que son collecteur est connecté à la tension d'alimentation (Vcc) et que son émetteur est relié à la base du transistor (T14) dudit convertisseur tension- courant.