Brevet FR2749939A1 — publié le 19971219

DETECTEUR DE GAMME DE TENSION D'ALIMENTATION DANS UN CIRCUIT INTEGRE L'invention concerne les détecteurs de niveau de la tension d'alimentation Vcc d'un circuit intégré. Ces détecteurs sont incorporés au circuit intégré et peuvent être utiles pour diverses applications telles que - pour détecter que la tension d'alimentation est dans une gamme déterminée pour laquelle le circuit est prévu, en interdisant le fonctionnement si la tension est dans une autre gamme; - pour détecter dans quelle gamme se situe la tension d'alimentation si plusieurs gammes sont possibles, et changer la configuration de fonctionnement du circuit intégré en fonction de la gamme détectée; - pour détecter que la tension d'alimentation a atteint un seuil déterminé avant d'autoriser le fonctionnement du circuit intégré. Ainsi, par exemple, on peut chercher à réaliser un détecteur de niveau de tension détectant si la tension d'alimentation est supérieure ou non à environ 2 volts et un autre détecteur détectant si elle est supérieure ou non à environ 4 volts. Ces deux détecteurs peuvent être utilisés simultanément dans un même circuit intégré qui pourrait fonctionner pour plusieurs gammes de tensions d'alimentation différentes telles que par exemple une gamme 2,7 à 3,3 volts et une gamme 4,5 à 5,5 volts. La combinaison des informations fournies par les deux détecteurs indique dans quelle gamme se situe la tension d'alimentation. Le principe général d'un tel détecteur, rappelé sur la figure 1, consiste à élaborer deux références de tension Vrefl, Vref2 qui varient différemment en fonction de la tension d'alimentation, et qui varient de telle manière que leurs courbes de variation se croisent lorsque la tension d'alimentation atteint un seuil déterminé (figure 2). Un comparateur compare ces deux références et bascule dans un sens ou dans un autre selon que Vcc dépasse ou non ce seuil. La sortie du comparateur peut être appliquée, à travers un amplificateur tampon ("buf fer"), au reste du circuit intégré pour modifier, autoriser, ou interdire son fonctionnement, selon l'application désirée. Deux difficultés principales existent, et sont particulièrement cruciales pour la détection de faibles niveaux de tension d'alimentation (détection d'un seuil de 2,5 volt par exemple). D'abord il faut réaliser un comparateur qui fonctionne correctement même lorsqu'il est alimenté par une faible valeur de tension d'alimentation (largement au dessous du seuil à détecter). Ensuite, il faut réaliser des références de tension qui répondent aux conditions ci-dessus (variations différentes en fonction de Vcc, et valeur de seuil de croisement de leurs courbes de variation). Or il n'est pas facile de réaliser une référence de tension qui varie comme on le souhaite, car les courbes de variation de la tension de référence en fonction de Vcc dépendent d'une part de la température de fonctionnement du circuit intégré, et d'autre part des variations de paramètres du procédé de fabrication de ce circuit. Par conséquent, alors qu'on recherche des références de tension dont les courbes de variation se croisent en un point bien déterminé qui correspond à une valeur de seuil Vs désirée, on constate en réalité qu'il faut tracer un quadruple réseau de courbes qui se croisent dans une zone de valeurs de seuils qui peut être très étendue; ce quadruple réseau consiste en deux réseaux de courbes pour la première référence de tension Vrefl et deux réseaux pour la deuxième référence Vref2; pour chaque référence, un réseau de courbes peut être tracé en fonction des variations possibles du procédé de fabrication, et un autre réseau peut être tracé en fonction de la température de fonctionnement du circuit. On comprend facilement qu'avec ce quadruple réseau, la dispersion de la tension de seuil en fonction de la fabrication et en fonction de la température devient considérable et rend le détecteur peu utile ou peu fiable. Ceci est d'autant plus vrai si les courbes de variation des tensions de référence se croisent avec un angle aigu plus fermé car la position du croisement sera alors d'autant plus variable en fonction de la dispersion de fabrication et de la température. La figure 3 illustre à titre d'exemple les différents points de croisement d'une courbe Vref2 avec plusieurs courbes Vrefl correspondant à une certaine dispersion de paramètres de fabrication et/ou à une variation de température de fonctionnement. I1 en résulte une incertitude sur la signification de l'information de sortie du comparateur car elle correspond à un dépassement d'un seuil Vs qui peut varier dans une plage assez large. I1 existe par conséquent un besoin pour un détecteur dont le seuil de détection soit le plus stable possible malgré la dispersion de fabrication et malgré les variations de température de fonctionnement. Ce détecteur doit être simple et doit consommer peu de courant. L'invention propose un tel détecteur de niveau de tension d'alimentation Vcc d'un circuit intégré, comportant une première branche pour définir une première référence de tension Vrefl et une deuxième branche pour définir une deuxième référence de tension Vref2, ces deux références variant différemment en fonction de la tension d'alimentation Vcc et leurs courbes de variation se croisant pour une valeur de Vcc située à proximité d'un seuil désiré Vs, et un comparateur recevant les deux références de tension, caractérisé en ce que la première branche comporte un pont diviseur résistif dont une prise intermédiaire constitue la première référence de tension Vrefl, et la deuxième branche comporte une résistance en série avec un transistor MOS de type P natif, le point de jonction de cette résistance et de ce transistor constituant la deuxième référence de tension. On rappelle qu'un transistor natif, par opposition à un transistor déplété ou enrichi, est un transistor qui est formé dans une région semiconductrice dopée, et dont le canal n'a pas subi une opération de déplétion superficielle (dopage de type P pour un transistor PMOS) ou d'enrichissement superficiel (dopage de type N pour un transistor PMOS). Le canal est donc formé directement à la surface de la région dopée sans qu'on ait effectué une opération d'implantation ionique ou de diffusion après la formation du caisson. Dans le cas présent, le transistor natif est de type P et il est en général formé dans un caisson de type N diffusé dans un substrat de type P. L'utilisation d'un tel transistor natif dans la branche qui définit la tension Vref2, en combinaison avec l'utilisation d'un pont diviseur résistif dans la branche qui définit Vref 1, aboutit à une bonne stabilité de la valeur de seuil Vs de tension d'alimentation Vcc qu'on cherche à détecter. Une des raisons de cette stabilité est le fait que l'absence de dopage du canal supprime un facteur de dispersion de caractéristiques dans le procédé de fabrication. Par ailleurs, l'utilisation d'un pont diviseur résistif, seul ou complété par un élément non linéaire, permet de contrôler très bien, par un simple choix de valeurs relatives de résistances, la zone de croisement des courbes de Vrefl et Vref2 en fonction de Vcc. Le transistor P natif est en principe monté en diode, c'est-à-dire avec sa grille reliée à son drain. La grille et le drain sont alors relié à la masse, tandis que la résistance en série avec le transistor est connectée entre la source du transistor et l'alimentation Vcc. Dans un mode de réalisation particulièrement utile pour réaliser un détecteur à faible niveau de seuil (environ 2,5 volts) on ajoute un élément nonlinéaire à faible tension de seuil de conduction en parallèle sur une résistance du pont diviseur (en pratique en parallèle sur la résistance aux bornes de laquelle on prélève la tension Vrefl). L'élément non linéaire est choisi tel que la variation de Vrefl en fonction de la température compense la variation de Vref2 en fonction de la température, de sorte que les courbes Vrefl et Vref2 se croisent pour une valéur de tension d'alimentation sensiblement indépendante de la température. L'élément non linéaire est de préférence un ensemble en série d'un transistor PMOS et d'un transistor NMOS (de préférence natif) montés en diode. La somme de leurs tensions de seuil est de préférence plus faible que la tension de seuil du transistor P natif. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1, déjà décrite, représente le principe général d'un détecteur de niveau d'alimentation; - la figure 2 représente les courbes de variation de Vrefl et Vref2 en fonction de Vcc, se croisant pour une tension de seuil Vs à détecter; - la figure 3 représente la dispersion de la tension de seuil détectée; - la figure 4 représente un schéma de détecteur selon l'invention; - la figure 5 représente un schéma plus détaillé; - la figure 6 représente les courbes de variation de Vrefl et Vref2 en fonction du temps lorsqu'une tension Vcc linéairement croissante puis stable est appliquée; - la figure 7 représente une variante de réalisation pour la détection d'un seuil d'environ 2,5 volts; - la figure 8 représente les courbes de variation correspondantes pour Vrefl et Vref2; - la figure 9 représente un schéma de comparateur utilisable dans le détecteur selon l'invention. Le schéma général de principe de l'invention est représenté à la figure 4. Le détecteur comporte deux branches alimentées par la tension Vcc, l'une servant à définir une tension de référence Vrefl ayant un premier type de variation en fonction de Vcc, et l'autre servant à définir une tension de référence Vref2 ayant un deuxième type de variation en fonction de Vcc. Les deux types de variation sont différents afin que les courbes de variation se croisent. La première branche comporte un pont diviseur de résistances (R1, R2, R3), alors que la deuxième branche comporte une résistance (R4) en série avec un transistor T1 à canal P natif. Une prise intermédiaire du pont diviseur de la première branche définit la référence Vrefl, et le point de jonction de la résistance et du transistor de la deuxième branche définit la référence Vref2. Ces deux tensions de référence sont appliquées sur les entrées d'un comparateur COMP qui fournit un signal logique sur une sortie S. Le signal sur la sortie S a un premier niveau (par exemple niveau haut) lorsque Vref2 est supérieur à Vrefl, ce qui se produit si Vcc est au dessous d'un seuil Vs, et un deuxième niveau (niveau bas) dans le cas contraire. Dans le mode de réalisation décrit à la figure 4, destiné à détecter si la tension d'alimentation dépasse un seuil d'environ 4 volts, le transistor natif P a sa grille à la masse, sa source reliée à la résistance R4, et son drain relié à la masse. La source est reliée au caisson dans lequel est classiquement formé le transistor (circuit intégré sur substrat P, caisson de type N pour les transistors à canal P, et ce caisson ne subit pas d'implantation superficielle de déplétion ou d'enrichissement). Le pont diviseur est ici constitué de trois résistances en série, R1 reliée à Vcc, R3 reliée à la masse, et R2 reliée entre R1 et R3. La prise intermédiaire définissant Vrefl est le point de jonction de R2 et R3. La résistance R3 peut être courtcircuitée par un interrupteur actionné par la sortie du comparateur. Elle sert à établir une hystérésis en changeant la valeur du rapport de division établi par le pont diviseur selon que le comparateur bascule dans un sens ou dans l'autre. Ici, lorsque Vcc est au dessous du seuil Vs, la résistance R2 est courtcircuitée, le rapport de division est R3/(R1+R3). Si Vcc dépasse le seuil (qui dépend de ce rapport de division), le comparateur bascule et met en série la résistance R2, faisant passer le rapport de division à R3/(R1+R2+R3), ce qui tend à abaisser le seuil Vs pour lequel le comparateur bascule. On évite ainsi les instabilités lorsque la tension Vcc est proche du seuil. La somme R1+R2+R3 est quelconque, suffisamment faible pour ne pas consommer trop de courant, la consommation de courant étant un facteur important à surveiller dans la conception d'un circuit intégré. Du fait que Vrefl est établi dans ce mode de réalisation uniquement par le pont diviseur aux bornes duquel est appliquée la tension d'alimentation Vcc, la tension de référence Vrefl varie linéairement en fonction de Vcc. La pente de cette variation est R3/(Rl+R3) ou R3/(R1+R2+R3). Elle dépend très peu du procédé de fabrication car elle ne dépend pas de la valeur des résistances (sujettes à forte dispersion de fabrication) mais seulement de leur rapport (sujet à une très faible dispersion). Le rapport R3/(R1+R3) est choisi de manière à établir une pente de variation de Vrefl en fonction de Vcc qui coupe la courbe de variation de Vref2 pour une valeur de Vcc égale à un seuil désiré Vs, ici de l'ordre de 4 volts. La pente qu'il faut donner à la courbe Vrefl en fonction de Vcc pour obtenir ce seuil dépend bien sûr de la courbe de variation de Vref2 et celle-ci dépend de la résistance R4 et du transistor T1. Par détermination empirique on peut trouver des valeurs de R1, R3 et R4 qui conviennent pour obtenir un seuil donné. Le transistor T1 a une tension de seuil Vtp0 de l'ordre de 1,6 volt. Tant que Vcc reste au dessous de cette valeur, le transistor reste bloqué et la tension Vref2 reste à la même valeur que Vcc. Puis le transistor se met progressivement à conduire et le courant dans la résistance R4 croît alors essentiellement linéairement avec Vcc, d'où il résulte que la tension Vref2 croît sensiblement logarithmiquement avec Vcc. La courbe logarithmique obtenue dépend de la valeur de R4 et de la dimension géométrique (rapport largeur/longueur de canal W/L) du transistor. Dans la pratique, le détecteur représenté schématiquement à la figure 4 peut comprendre d'autres éléments accessoires. A titre d'exemple, la figure 5 représente un schéma de réalisation pratique dans lequel on a rajouté un circuit destiné à éviter la consommation de courant lorsque le circuit intégré est en état de veille. Une borne d'entrée STBY transmet un signal de veille qui, lorsqu'il est au niveau logique haut, interrompt grâce aux transistors T2 et T3 la consommation de courant dans les deux branches du détecteur et inhibe la consommation de courant et le fonctionnement du comparateur COMP (en annulant le signal d'autorisation de fonctionnement AMP~ON). Le transistor T3 est inséré entre le transistor T1 et la masse, et le transistor T2 est inséré entre la résistance R3 et la masse. Leur influence sur le fonctionnement du détecteur est négligeable. L'interrupteur qui court-circuite la résistance R2 pour l'hystérésis peut être réalisé classiquement par un transistor N T4 en parallèle avec un transistor P T5, commandés l'un par le même niveau logique que celui qui sort du comparateur, l'autre par le niveau logique complémentaire. Dans un exemple de réalisation pour lequel on a tracé les courbes de variation de Vrefl et Vref2 sur la figure 6, on a pris les valeurs numériques suivantes pour les résistances et le transistor T1, en vue d'obtenir une tension de seuil d'environ 4 volts R1 = 52 kilohms, R2 = 5 kilohms, R3 = 200 kilohms, R4 = 57 kilohms, et W/L = 4,5/5,7 (micromètres) pour T1. Les courbes tracées sur la figure 6 représentent des variations de Vrefl et Vref2 en fonction du temps alors que Vcc varie linéairement en fonction du temps puis se stabilise à une valeur de 7 volts. Ceci revient indirectement à une représentation de Vrefl et Vref2 en fonction de Vcc. Comme Vrefl ne dépend pratiquement pas du tout des paramètres du procédé de fabrication ni de la température de fonctionnement du circuit intégré, on a tracé une seule courbe Vrefl. Mais Vref2 dépend de la dispersion des paramètres du procédé de fabrication et dépend également de la température de fonctionnement, et on a tracé deux courbes extrêmes Vref2a et Vref2b représentant la dispersion maximale de courbe Vref2. L'intersection de la courbe Vrefl et de la courbe Vref2a correspond à une première valeur de Vcc sensiblement égale à 4,6 volts. L'intersection de Vrefl et de Vref2b correspond à une deuxième valeur de Vcc sensiblement égale à 3,3 volt. Par conséquent, le comparateur bascule et le détecteur fournit un signal logique de dépassement de seuil lorsque Vcc dépasse environ 4 volts, mais avec une marge d'erreur d'environ 0,6 volts dues à la dispersion de fabrication et à la température. Cette marge d'erreur est acceptable dans une application où on cherche à savoir si la tension d'alimentation est plutôt dans la gamme 2,7 à 3,3 volts ou plutôt dans la gamme 4,5 à 5,5 volts. Avec ce même principe, mais avec une réalisation légèrement modifiée, on peut détecter un seuil de tension d'alimentation beaucoup plus bas, sensiblement égal à 2 volts par exemple, et avec une marge d'erreur plus faible. On augmente la valeur de la résistance R4 et la taille du transistor T1 pour réduire globalement la tension Vref2 et la stabiliser rapidement au voisinage de la tension de seuil du transistor T1 (environ 1,6 volts). I1 en résulte une courbe Vref2a et une courbe Vref2b visibles sur la figure 8 pour le cas où la résistance R4 est de 500 kilohms et la géométrie du transistor est W/L = 20/2 micromètres. La dispersion de courbe Vref2 vient surtout de la température de fonctionnement du circuit intégré. L'intersection des courbes Vref2a et Vref2b avec une droite Vrefl unique comme à la figure 6 donne des valeurs de seuil dispersées comme on l'a expliqué cidessus, aussi bien pour un détecteur de seuil de 4 volts environ que pour le détecteur de seuil de 2,5 volts environ. Mais on peut réduire cette dispersion de seuil en adoptant une mesure supplémentaire, utilisée à la figure 7, consistant à mettre en parallèle sur la résistance R3 un élément non linéaire qui ne joue pas de rôle tant que Vcc est suffisamment bas et qui atténue ensuite la pente de la droite Vrefl d'une manière non linéaire. Cette atténuation doit dépendre des paramètres du procédé de fabrication ainsi que de la température de fonctionnement du circuit intégré un peu de la même manière que la dépendance de Vref2, de manière à restreindre la plage de croisement effective des courbes Vrefl et Vref2. Si on examine la figure 8, on a tracé une courbe Vref la représentant une limite de variation de Vrefl en fonction des paramètres de fabrication, et cette courbe intersecte la courbe correspondante Vref2a (pour les mêmes paramètres extrêmes de fabrication) en un point correspondant à Vcc = 2,4 volt. Et la courbe Vref lb intersecte la courbe Vref2b, pour l'autre extrême de paramètres de fabrication, en un autre point qui correspond presque exactement à la même valeur 2,4 volts pour Vcc. Par conséquent on comprend qu'on peut réduire la plage d'erreur sur le seuil dans une très large mesure, tout en pouvant choisir facilement la valeur de ce seuil. Dans la réalisation représentée à la figure 7, à propos du détecteur 2,5 volts, l'élément non linéaire placé en parallèle sur la résistance R3 est un ensemble en série de deux transistors montés en diode (grille réunie au drain), l'un étant un transistor T6 à canal P, l'autre étant un transistor T7 à canal N natif. Ces transistors peuvent être en série avec un transistor T8 commandé comme les transistors T2 et T3 pour être bloqués dans le mode de veille. La somme des tensions de seuil des transistors T6 et T7 est plus faible que la tension de seuil du transistor T1, afin que la droite Vrefl de pente R3/(R3+R1) en fonction de Vcc soit déjà incurvée par la mise en conduction progressive de T6 et T7 dans la région d'intersection des courbes Vrefl et Vref2, c'est-à-dire pour Vref2 peu différent de la tension de seuil de T1 (1,6 volts dans l'exemple donné). Par exemple, la somme des tensions de seuil de T6 et T7 est d'environ 1 volt à 1,3 volt (avec une forte dépendance selon la température du circuit). La dépendance de Vrefl avec la température est ainsi assez similaire à celle de Vref2. Deux transistors supplémentaires, T9 et T10, commandés par le signal de veille STBY, ont été prévus pour mettre au départ Vref2 à Vcc, afin d'assurer sans ambiguïté le démarrage du fonctionnement du circuit dans une condition où Vref2 est supérieur à Vrefl. Un exemple de valeurs numériques qui conviennent pour réaliser un détecteur de niveau d'environ 2,5 volts, aboutissant aux courbes représentées à la figure 8 est donné ci-dessous R1 = 80 kilohms, R2 = 20 kilohms, R3 = 450 kilohms, R4 = 500 kilohms géométrie de T1 : W/L = 20/2 géométrie de T6 : W/L = 15/2,4 géométrie de T7 : W/L = 5/2,4 La figure 9 représente enfin un exemple de schéma de comparateur utilisable dans les circuits des figures précédentes, ce comparateur pouvant fonctionner même pour des tensions d'alimentation très faibles, inférieures à 2 volts. Ce comparateur est mis en service seulement en dehors des périodes de veille, grâce à un signal AMP~ON (complément logique du signal STBY de mise en veille). Le signal AMP~ON autorise ou interdit le passage de courant dans les différentes branches du comparateur. Le circuit intégré peut comprendre simultanément un détecteur tel que celui de la figure 5 pour la détection d'un seuil de 4 volts et un détecteur tel que celui de la figure 7 pour la détection d'un seuil de 2,5 volts. La combinaison logique des indications de sortie de ces deux détecteurs permet par exemple de déterminer très simplement la gamme de tensions d'alimentation dans laquelle se situe Vcc lorsqu'on sait à l'avance que les gammes possibles sont les suivantes - au dessous de 2,5 volts, - dans la gamme nominale 2,7 à 3,3 volts, - dans la gamme nominale 4,5 à 5,5 volts. REVENDICATIONS l.Détecteur de niveau de tension d'alimentation Vcc d'un circuit intégré, comportant une première branche pour définir une première référence de tension Vrefl et une deuxième branche pour définir une deuxième référence de tension Vref2, ces deux références variant différemment en fonction de la tension d'alimentation Vcc et leurs courbes de variation se croisant pour une valeur de Vcc située à proximité d'un seuil désiré Vs, et un comparateur (COMP) recevant les deux références de tension, caractérisé en ce que la première branche comporte un pont diviseur résistif (R1, R2, R3) dont une prise intermédiaire constitue la première référence de tension Vrefl, et la deuxième branche comporte une résistance (R4) en série avec un transistor MOS de type P natif (T1), le point de jonction de cette résistance et de ce transistor constituant la deuxième référence de tension Vref2. 2.Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transistor P natif est monté en diode, avec sa grille reliée à son drain. 3.Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la grille et le drain sont reliés à la masse, tandis que la résistance (R4) en série avec le transistor est connectée entre la source du transistor et l'alimentation Vcc. 4.Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un élément non linéaire (T6, T7) à faible tension de seuil de conduction est monté en parallèle sur une résistance du pont diviseur. 5.Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément non linéaire est placé en parallèle sur une résistance aux bornes de laquelle est prélevée la première référence de tension Vrefl. 6.Détecteur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'élément non linéaire a des caractéristiques de seuil de conduction qui varient en fonction de la température de telle sorte que la courbe de variation de Vrefl en fonction de Vcc croise la courbe de variation de Vref2 pour une valeur de tension d'alimentation sensiblement indépendante de la température. 7.Détecteur selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la tension de seuil de conduction de l'élément non linéaire est inférieure à celle du transistor natif de type P. 8.Détecteur selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l'élément non linéaire est constitué par un ensemble en série d'un transistor à canal N (T7) et d'un transistor à canal P (T6). 9.Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le transistor à canal N (T7) est de type natif. 10. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pont diviseur résistif comprend une résistance (R2) avec des moyens pour court-circuiter cette résistance en fonction de la sortie du comparateur, afin d'introduire une hystérésis dans le seuil de détection de niveau.