Brevet FR2808940A1 — publié le 20011116

L'invention concerne les circuits oscillateurs à quartz. Ces circuits, qu'ils soient réalisés sous forme de modules indépendants ou qu' constituent une cellule intégrée à un microcircuit, sont utilisés comme horloges dans de très nombreux dispositifs. L'invention s'intéresse plus particulièrement à la réalisation de tels oscilla teurs a basse consommation, qui est une contrainte importante lorsqu'il s'agit d'incorporer cet oscillateur à un circuit ou microcircuit autonome de vant pouvoir être utilisé sur une longue durée sans remplacement de pile ou recharge de batteries. II en est ainsi dans des applications telle que l'horlogerie, le télephone portable ou encore le biomédical. Cette dernière catégorie inclut notamment les "dispositifs médicaux im- plantables actifs" tels que définis par la Directive 90/3851CE du juin 1990 du Conseil des communautés européennes, définition qui, outre les stimulateurs cardiaques, défibrillateurs, cardioverteurs et/ou "dispositifs multisite", inclut les appareils neurologiques, les pompes de diffusion de substances médicales, les implants cochléaires, les capteurs biologiques implantes, etc. Pour ce type d'appareils, l'autonomie de l'implant doit pou voir atteindre une durée typique d'une dizaine d'années, rendant particu lièrement critiques les contraintes de faible consommation de tous cir cuits cellules impliqués dans ces dispositifs. La stabilité en fréquence de l'oscillateur est également une contrainte im portante, et l'on cherche à avoir une fréquence centrale qui soit à fois la plus pure possible - minimum de distorsion - et la plus stable possible minimum d'instabilité à court terme de type juter (gigue) et de dérive à long terme (du fait notamment du vieillissement du quartz et de l'augmen tation sa résistance série). Ainsi, dans le cas d'un implant biomédical, l'évolution récente des techni ques télémétrie (échange bidirectionnel de signaux entre l'implant et un programmateur externe) requiert une stabilité de l'horloge interne de l'implant beaucoup plus élevée qu'auparavant car, du fait du débit accru des données, l'écart de fréquence entre l'horloge de l'implant et celle du programmateur doit être réduit en conséquence. On connaît un schéma général d'oscillateur donnant de bons résultats à l'égard ces différentes contraintes, dans lequel le courant de polarisa- tion de l'oscillateur est auto-régulé en fonction de la résistance série équi valente du quartz, ce qui permet des oscillations à basse énergie avec une grande stabilité de fréquence. Le schéma de base d'un tel circuit oscillateur auto-régulé a notamment été décrit dans Vittoz EA, Degrauwe MGR, Bitz S, High-Performance Crystal Oscillator Circuits: Theory and Applications, IEEE Journal of Solid- State Circuits, 23, 3, 774-783 (juin 1978). type d'oscillateur présente, par nature, une très grande fiabilité, une bonne stabilité en fréquence et une consommation modérée. II n'est cependant pas dépourvu d'inconvénients. En effet, si l'on recherche une très faible consommation de l'ordre de 400 à 500 nA à 1,8 V, il est nécessaire d'utiliser un quartz présentant une fai ble résistance série, le cristal étant enfermé dans une enceinte étanche métallique hermétique. Un tel quartz sera plus volumineux et plus coûteux qu'un quartz CMS céramique, dont la résistance série plus élevée et qui engendre donc une consommation supérieure. Une autre difficulté rencontrée avec les oscillateurs à quartz intervient au démarrage de cet oscillateur. En pratique, pour compenser le vieillissement du quartz et être certain que, même en fin de vie, il continuera à résonner, on prévoit un courant de polarisation suffisamment élevé pour être certain qu'en toutes circons tances l'oscillateur continuera à remplir sa fonction jusqu'à la fin. Cette marge de sécurité présente cependant un double inconvénient - d'une part, elle conduit à augmenter la consommation par rapport à ce qui est nécessaire, notamment en début de vie. - d'autre part, dans certains cas, elle peut créer difficulté au dé marrage de l'oscillation. En effet, la tendance à la miniaturisation croissante dispositifs conduit à utiliser des quartz de petites dimensions qui, en pratique, ont tendance à démarrer sur une harmonique (généralement l'harmonique 6) et non sur la fondamentale, si le courant de polarisation est trop élevé ;inversement, si le courant de polarisation est trop faible, l'oscillateur risque de ne pas démarrer. Enfin, un oscillateur à basse énergie présente une plus grande sensibilité aux parasites internes ou externes, ce qui n'est pas sans risques dans certaines circonstances, par exemple les chocs de défibrillation dans le cas des implants médicaux. En particulier, dans certains modèles de défibrillateurs implantables le boîtier du dispositif est utilisé comme electrode de choc, et ce boîtier va rayonner sur tous les composants proches, notamment sur le circuit d'hor loge, au moment de l'application du choc de défibrillation par couplage dans l'air, en raison de la faible distance entre le boîtier et le circuit élec tronique du défibrillateur. L'impulsion défibrillation, qui atteint typique ment 750 V, peut ainsi provoquer un arrêt de l'oscillateur et donc du sti- mulateur/défibrillateur avec le risque, comme on l'a vu plus haut, que le démarrage ne se fasse pas, ou se fasse sur une harmonique au lieu de se faire sur la fondamentale, en fonction du niveau du courant d'excitation du quartz. II peut en résulter un grave dysfonctionnement de la prothèse, notamment une absence de délivrance de la thérapie. Lorsque des quartz sous boîtier hermétique sont utilisés, un autre risque susceptible d'affecter la bonne oscillation du quartz, et donc le fonction nement du dispositif, est le risque de perte d'herméticité au cours du temps, phénomène qui va augmenter de façon significative la résistance série équivalente du quartz (celui-ci n'oscillant plus dans le vide), et ceci peut conduire à une dégradation importante des performances de l'im plant, voire même un arrêt de celui-ci. Ce risque majeur a notamment été signalé par le Department of Health and Human Services de la Food and Drug Administration américaine dans une lettre en date du 13 août 1997 adressée à tous les fabricants de dis positifs médicaux actifs implantables. La présente invention propose un perfectionnement aux oscillateurs à quartz auto-régulés connus, permettant de pallier l'ensemble des incon vénients présentés ci-dessus. Ce circuit est un oscillateur à quartz auto-régulé à basse consommation du type générique décrit dans l'article de Vittoz et coll. précité, c'est-à-dire comportant un amplificateur de sortie délivrant un signal d'oscillation, un quartz couplé en contre-réaction à un circuit amplificateur inverseur, des moyens pour délivrer au quartz un courant de polarisation, et des moyens d'auto-régulation, aptes à accroître le courant de polarisation en cas de diminution de l'amplitude du signal d'oscillation, notamment du fait d'un accroissement de la résistance série du quartz au cours du temps, et " versement. Selon l'invention, l'amplificateur de sortie est un amplificateur différentiel dont chacune des entrées est couplée à une borne respective du quartz. Selon diverses caractéristiques subsidiaires avantageuses - les moyens d'auto-régulation comprennent des moyens pour limiter a une valeur plancher minimale le courant de polarisation ; - il est prévu des moyens pour détecter la mise sous tension d'un dispo sitif pilote par l'oscillateur, et des moyens pour accroître temporaire ment le courant de polarisation après détection d'une mise sous ten sion ; - le signal d'oscillation délivré par le circuit est un signal de pilotage pour un dispositif médical implantable actif, notamment un stimulateur cardiaque, défibrillateur, cardioverteur et/ou dispositif multisite. On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention, référence dessins annexés. Les figures 1 et 2 sont des synoptiques permettant de décrire le fonction nement du circuit selon l'invention. La figure 3 est un schéma plus détaillé montrant les divers composants in tervenant dans ce circuit. La figure 4 illustre la structure de la cellule du régulateur de polarisation. La figure 5 illustre la structure de la cellule de l'amplificateur de sortie. Comme illustré sur les figures 1 et 2, le circuit de l'invention comporte es sentiellement un amplificateur inverseur 10 associé à un quartz 12 monté en contre-réaction entre l'entrée 14 et la sortie 16 de cet amplificateur. Plus précisement, l'amplificateur 10 est constitué essentiellement d'un PMOS 18 série avec une source de courant variable 20 pilotée par circuit de régulation 22 permettant d'ajuster la contre-réaction par régula tion du courant de polarisation du quartz 12. La structure de base, que l'on vient de décrire, de ce circuit est connue notamment d'après l'article de Vittoz précité. la différence des circuits traditionnels connus où l'amplification du si gnal de sortie s'effectue entre l'une des broches du quartz et la masse, de façon caractéristique de l'invention il est ici prévu comme amplificateur de sortie un amplificateur différentiel 24 dont les entrées sont reliées aux deux bornes respectives du quartz, c'est-à-dire au potentiel des points 14 et 16, de part et d'autre de la résistance 26 de polarisation du PMOS 18. Le signal d'oscillation amplifié est délivré en sortie 28 de l'amplificateur différentiel 24 sous forme d'un signal d'horloge carré CK32K, par exemple un signal d'horloge de fréquence 32786 Hz permettant le pilotage d'un im plant médical tel qu'un stimulateur cardiaque, défibrillateur, cardioverteur ou dispositif multisite (cette application n'étant aucunement limitative l'invention). On notera à cet égard que, dans le cas particulier du schéma illustré, l'oscillateur est réalisé avec une masse à Vdd et non à Vss, cette configuration étant particulière à l'application envisagée ; mais la configu ration inverse, traditionnelle, avec une masse à Vss est bien entendu envi sageable tout aussi bien. La figure 3 montre plus en détail les différents composants du synoptique de la figure 1. Ces différents composants sont avantageusement intégrés sous forme d'une puce monolithique 30, à laquelle est adjointe sous forme de compo sant externe le quartz 12 relié par deux plages de contact 32, 34. Le quartz 12 est associé à des capacités de charge 36, 38 entre chacune de ses bornes et Vdd, et à une capacité de stabilisation 40 connectée en tre ses bornes. Ces composants auxiliaires permettent d'ajuster de façon précise la stabilité, le niveau d'amplitude, etc. de manière à s'affranchir notamment des effets des capacités parasites internes à la puce 30, ou externes (circuit hybride) et produire ainsi des circuits présentant une fai ble dispersion de caractéristiques d'une puce à l'autre. L'amplificateur inverseur 10 est constitué d'un PMOS 18 en série avec un NMOS 20 formant source de courant et piloté par la tension de sortie Vo d'un régulateur de polarisation 22. La résistance de polarisation 26 pré citée, qui permet la polarisation en courant continu de la grille du PMOS 18, est une résistance de forte valeur (quelques dizaines de mégohms quelques gigohms) qui peut être réalisée par différents moyens tels que diodes polysilicium placées tête-bêche, résistance polysilicium faiblement dopée, résistance caisson, MOS long, etc. est par ailleurs prévu des PMOS 42, 44 de commutation permettant de gérer la mise en sommeil et le démarrage de l'oscillateur sous la com mande d'un signal PE (Power Enable), signal logique permettant d'activer = 1) ou de désactiver (PE = 0) la cellule. Ce signal d'activation agit également sur le régulateur de polarisation 22 et l'amplificateur diffé rentiel 24. circuit de la figure 3 nécessite également pour son fonctionnement courant de polarisation Ibias provenant d'une source de courant externe activée pour PE = 1. En variante, ce courant 1b;,, peut néanmoins être fourni par la cellule elle-même, de façon interne, notamment par le régu lateur de polarisation 22, rendant ainsi la cellule autonome. On va maintenant décrire le fonctionnement de ce circuit. L'amplification du signal au point 14 est réalisée par le PMOS 18, polarisé par le courant lb,,, fourni par le NMOS 20, lui-même contrôlé par le régu lateur de polarisation 22. Le régulateur de polarisation 22 permet d'ajuster le courant de polarisa tion lb,,, dans l'étage oscillateur en fonction de l'amplitude crête au point 16. Le rebouclage de cette cellule avec l'étage oscillateur permet d'obte nir une autorégulation de l'amplitude des oscillations, ce qui permet de travailler à énergie optimale et de manière dynamique en fonction de l'état du quartz, tout particulièrement de sa résistance série interne, qui varie selon le type de quartz et dans le temps : en effet, cette résistance série dépend de nombreux facteurs tels que le type de conditionnement utilise (composant cylindrique, CMS plastique ou céramique) et du niveau d'her méticité interne, la perte du vide ayant pour effet un accroissement pro gressif et considérable de la résistance série. Cette capacité d'auto-adaptation de la polarisation en fonction des carac téristiques intrinsèques du quartz est essentielle pour des applications tels que les implants médicaux, où il est nécessaire d'avoir à la fois très basse consommation et une très grande fiabilité des circuits. De plus, elle contribue à éviter un démarrage sur une harmonique indésirable, exemple l'harmonique 6. Elle a également l'avantage d'éviter de distordre le signal, ce qui permet d'accroître la stabilité en fréquence du signal d'horloge généré. Ce dernier avantage est très important pour des appli cations telle que la télémétrie à haut débit, où un programmateur et un im plant doivent pouvoir communiquer avec des signaux de fréquence extrê- mement stables. La figure 4 représente la structure interne (classique dans son principe) du régulateur de polarisation 22, qui est une cellule intégrée composée d'une source de courant de type PTAT (Proportional To Absolute Tempe- rature) et d'éléments de filtrage RC produisant en sortie un signal Vo ap pliqué au NMOS 20 fonctionnant en miroir de courant. Le niveau du signal de sortie Vo du régulateur 22, qui est donc celui du courant lb,,, de l'étage oscillateur, est modulé par l'amplitude présente au point 16 de manière inversement proportionnelle, au premier ordre (la loi de variation étant en fait régie par une fonction de Bessel modifiée d'ordre zéro). Le courant sera donc maximal pour une amplitude d'oscillation nulle (correspondant notamment à une condition de démarrage), puis dé- croîtra progressivement jusqu'à une valeur nulle correspondant à une ten- sion maximale, prédéfinie, au point 16. Le point de fonctionnement stable sera à l'intersection des caractéristiques des deux étages, oscillateur et régulateur. Afin d'éviter que la source de courant PTAT puisse passer par un état à courant nul qui risquerait le blocage du système, on prévoit un circuit an- tiblocage avec un NMOS de fuite 46 (figure 4) polarisé par le courant 1b;,, généré I 'extérieur de la cellule (en variante, le courant de fuite peut etre généré par un circuit interne et autonome). Ceci permet de garantir un courant de polarisation minimum non nul dans le NMOS 20 en toutes cir constances. Optionnellement, afin d'optimiser le niveau de consommation de la - lule, le niveau de régulation, c'est-à-dire le niveau de la source de courant contrôlé, peut être ajusté de l'extérieur au moyen d'un mot numérique M. A l'état de "reset" du système, les commutateurs 42, 44 assurent un court- circuit entre le point 14 et Vdd, et entre les deux points 14 et 16, et le ré gulateur 22 délivre quant à lui un courant nul dans l'oscillateur (il peut é galement s'agir d'inhiber l'oscillateur dans une phase de test où les divers circuits du dispositif sont pilotés par un oscillateur externe). Au démarrage, c'est-à-dire sur le changement d'état du signal logique PE, une impulsion de tension importante est créée entre les points 14 16, c'est-à-dire entre les bornes du quartz, par le régulateur 22 qui délivre à ce moment le courant maximal et donc tire très fortement le potentiel du point 16 vers l'alimentation négative VSS. Cette impulsion permet dé marrer rapidement l'oscillateur, le régulateur ayant lui aussi son propre circuit de démarrage. La figure 5 illustre de façon plus détaillée la structure de l'amplificateur différentiel de sortie 24. Cet amplificateur a pour rôle d'assurer l'amplification différentielle Po tentiel du point 16 par rapport au point 14, afin de générer le signal d'hor loge CK32K d'amplitude maximale Vdd-Vss avec une très stabilité de fré quence, typiquement de l'ordre de 10 à 100 ppm à 32768 Hz. L'utilisation d'une amplification différentielle permet, notamment dans une application à des dispositifs médicaux tels que stimulateurs cardiaques ou défibrillateurs, d'assurer une réjection satisfaisante des perturbations de forte amplitude (de l'ordre de 8 V pour un stimulateur et 800 V pour dé- fibrillateur) dont le couplage avec le quartz risquerait de créer des graves perturbations dans le fonctionnement de l'oscillateur et donc de la pro thèse. Le le plus significatif est celui du défibrillateur avec boîtier ac tif, c'est-à dire dans lequel le boîtier en titane de la prothèse est utilisé comme électrode de choc. La réjection des fluctuations des potentiels du boîtier très critique, car ce boîtier entoure tous les circuits électroni ques et le couplage dans l'air est difficile à réduire sans augmentation de volume de l'appareil. L'attaque différentielle de l'amplificateur de sortie, accompagnée d'une implantation soignée et symétrique du quartz sur le circuit hybride du stimulateur/défibrillateur, est dans ce cas particulière ment bien adaptée du fait de sa moindre sensibilité aux effets de mode commun. Plus précisément, la cellule d'amplification 24 est composée (figure 5) d'un amplificateur opérationnel 48 associé à un filtre passe-haut symétri que 50, 52 (les tensions de polarisation Vbp et Vb, de cet étage de filtrage peuvent être obtenues à partir du courant Ib;as), d'un étage d'inhibition 54 et d'étages de remise en forme 56, 58. Ces étages de remise en forme sont destinés à obtenir l'amplitude maximum du signal de sortie avec un rapport cyclique équilibré (50 %) et une sortance suffisante pour piloter toutes les portes numériques utilisant directement le signal d'horloge néré. On notera que les alimentations de l'oscillateur sont les mêmes que celles des étages de remise en forme 56, 58, ce qui permet de simplifier le cir cuit en faisant travailler à base tension (de l'ordre de 1,4 à 1,8 V) aussi bien les parties analogiques que numériques du circuit. L'avantage de cette configuration est une quasi-insensibilité à la tension d'alimentation, et ce dans une plage relativement large, pouvant aller de 1,4 à 3 V, voire V. Pour les circuits numériques où la puissance dissipée dépend direc tement du carré de la tension de travail, le fonctionnement à très basse tension est un élément décisif dans l'application particulière envisagée implants médicaux. REVENDICATIONS 1. Un circuit formant oscillateur à quartz auto-régulé à basse consomma tion, comportant - un amplificateur de sortie (24) délivrant un signal d'oscillation (CK32K), - un quartz (12) couplé en contre-réaction à un circuit amplificateur inverseur (10), - des moyens (26) pour délivrer au quartz un courant de polarisation, et - moyens d'auto-régulation (22), aptes à accroître le courant polarisation en cas de diminution de l'amplitude du signal d'oscilla tion, notamment du fait d'un accroissement de la résistance série quartz au cours du temps, et inversement, circuit caractérisé en ce que l'amplificateur de sortie (24) est un amplifi cateur différentiel dont chacune des entrées est couplée à une borne res pective 16) du quartz (12). 2. Le circuit de la revendication 1, dans lequel les moyens d'auto-régula tion (22) comprennent des moyens (46) pour limiter à une valeur plancher minimale le courant de polarisation. 3. Le circuit de la revendication 1, comportant des moyens pour détecter la mise sous tension (PE) d'un dispositif piloté par l'oscillateur, et des moyens pour accroître temporairement le courant de polarisation après détection d'une mise sous tension. 4. Le circuit de la revendication 1, dans lequel le signal d'oscillation déli vré par le circuit est un signal de pilotage pour un dispositif médical im- plantable actif, notamment un stimulateur cardiaque, défibrillateur, cardio- verteur et/ou dispositif multisite.