Brevet FR2816131A1 — publié le 20020503

GENERATEUR DE FONCTION AVEC FREQUENCE D'OSCILLATION REGLABLE L'invention concerne de façon générale un générateur de fonc- tion avec une fréquence d'oscillation réglable. Cette invention concerne plus particulièrement un générateur de fonction avec une fréquence d'oscillation qui peut être réglée indépendamment d'une source de tension externe. De nombreux accessoires d'ordinateur tels que la souris exigent un faible coût de fabrication et une faible consommation de puissance. Ces sortes de produit ont des circuits conçus de façon caractéristique en employant des dispositifs CMOS. Si le procédé classique utilise un oscilla- teur à quartz externe, les inconvénients suivants apparaissent. Première- ment, le coût de fabrication est augmenté. Secondement, la conception exige un compromis concernant la spécification de fréquence de l'oscilla- teur à quartz. Troisièmement, comme représenté sur la figure 1, I'inverseur CMOS utilisé comme un oscillateur à transistor de type Pierce de l'ampli- ficateur comprend un transistor PMOS (MP), un transistor NMOS (MN), une résistance Rf, et deux condensateurs C1 et C2. L'inverseur CMOS est connecté à une tension d'alimentation VDD. Lorsque la capacité des con- densateurs C1 et C2 est suffisamment grande, un courant élevé est né- cessaire pendant le fonctionnement de l'oscillateur. Si on réduit le gain de l'inverseur CMOS pour économiser la puissance, la fréquence de sortie de l'oscillateur se stabilisera au bout d'une longue durée, ou même elle sera incorrecte, ou l'oscillateur sera incapable d'osciller. L'invention procure un générateur de fonction avec une fré- quence d'oscillation réglable qui peut être intégré dans une structure de circuit CMOS avec d'autres circuits numériques. Le générateur de fonc- tion peut donc être fabriqué avec un faible coût et une faible consomma- tion de puissance. Le générateur de fonction avec une fréquence d'oscillation ré- glable fonctionne sous une tension d'alimentation (VDD). Le générateur de fonction comprend un premier comparateur, un second comparateur, un circuit de bascule, un condensateur, une première source de courant et une seconde source de courant. La tension de référence du premier comparateur est appelée la première tension de référence, et la tension de référence du second com- parateur est appelée la seconde tension de référence. La première ten- sion de référence est supérieure à la seconde tension de référence. Le circuit de bascule comprend une première borne d'entrée, une seconde borne d'entrée, une première borne de sortie et une seconde borne de sortie. Les première et seconde bornes d'entrée sont respectivement cou- plées aux bornes de sortie des premier et second comparateurs. Les si- gnaux de sortie des premier et second comparateurs, qui sont mémorisés par le circuit de bascule, sont ensuite émis par les première et seconde bornes de sortie. Une borne du condensateur est connectée à la masse, et le niveau de tension de son autre borne est une tension de comparai- son. Les première et seconde sources de courant chargent et déchargent le condensateur par l'intermédiaire d'un premier et d'un second interrup- teur. Le niveau de tension de la première borne de sortie du circuit de bascule commande le premier interrupteur, tandis que le niveau de ten- sion de la seconde borne de sortie du circuit de bascule commande le se- cond interrupteur. Lorsque la tension de comparaison est inférieure à la seconde tension de référence, le niveau de tension sur la première borne de sortie est à un potentiel haut (on dit que la première borne de sortie est au niveau "Haut"), et le niveau de tension sur la seconde borne de sortie est à un potentiel bas (on dit que la seconde borne de sortie est au niveau "Bas"). Lorsque la tension de comparaison est supérieure à la se- conde tension de référence, mais inférieure à la première tension de réfé- rence, le niveau de tension sur les première et seconde bornes de sortie est maintenu. Lorsque la tension de comparaison est supérieure à la pre- mière tension de référence, le niveau de tension sur la première borne de sortie est à un potentiel bas ("Bas"), et le niveau de tension sur la se- conde borne de sortie est à un potentiel haut ("Haut"). Dans la structure ci-dessus, les niveaux de courant des pre- mière et seconde sources de courant sont proportionnels à la tension d'alimentation, et les niveaux de courant pour les première et seconde sources de courant peuvent être les mêmes. Le générateur de fonction ci-dessus comprend en outre un cir- cuit de polarisation comprenant plusieurs résistances connectées en sé- rie, une résistance réglable, un premier transistor et un second transistor. Les résistances connectées en série ont une première extrémité reliée à la tension d'alimentation, et l'autre extrémité mise à la masse. Le premier transistor comprend une première grille, une première source et un pre- mier drain. Le second transistor comprend une seconde grille, une se- conde source et un second drain. La première grille est connectée à un point de division de potentiel dans les résistances connectées en série qui divise la tension d'alimentation. La première source est connectée à une seconde grille et un second drain du second transistor, et le premier drain est connecté à une résistance réglable. La seconde source du second transistor est connectée à la tension d'alimentation. Ainsi, le courant de la résistance réglable est fourni aux première et seconde sources de cou- rant. De plus, le générateur de fonction comprend un amplificateur opérationnel. L'amplificateur opérationnel comprend une borne d'entrée positive, une borne d'entrée négative et une troisième borne de sortie. La borne d'entrée positive est connectée au point de division de potentiel, la borne d'entrée négative est connectée à la première source du premier transistor qui est connectée à la résistance réglable, et la troisième borne de sortie est connectée à la première grille du premier transistor. Comme mentionné ci-dessus, les potentiels des première et se- conde bornes de sortie des premier et second comparateurs sont détermi- nés par la tension de comparaison et les première et seconde tensions de référence. Les potentiels des première et seconde bornes du circuit de bascule peuvent alors commander les opérations de charge et de dé- charge du condensateur. Lorsque la première borne de sortie est au ni- veau Haut et la seconde borne de sortie est au niveau Bas, le condensa- teur est chargé par la première source de courant. Lorsque la seconde borne de sortie est au niveau Haut et la première borne de sortie est au niveau Bas, le condensateur est déchargé par la seconde source de cou- rant. Le signal de sortie de la fréquence d'oscillation peut être déterminé conformément au temps de charge et de décharge du condensateur. La fréquence d'oscillation du générateur de fonction peut être réglée confor- mément au courant pour charger et décharger le condensateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la des- cription se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 montre un inverseur CMOS utilisé comme un os- cillateur à transistor de type Pierce d'un amplificateur de l'art antérieur; La figure 2 montre un générateur de fonction avec une fré- quence d'oscillation réglable conforme à la présente invention; La figure 3 montre un niveau de potentiel de bornes Vc, UP et DN représentées sur la figure 2; La figure 4 montre la structure du générateur de fonction avec une fréquence d'oscillation réglable; et La figure 5 montre un autre mode de réalisation du circuit de polarisation en courant qui est représenté sur la figure 4. L'invention procure un générateur de fonction avec une fré- quence d'oscillation réglable. Le générateur de fonction est conçu pour éliminer les inconvénients qui apparaissent dans la structure classique. Les problèmes sont par exemple les suivants: un coût accru, une restric- tion sur la spécification de fréquence de l'oscillateur à quartz, une con- sommation de puissance élevée et le fait qu'en réduisant le gain de I'in- verseur CMOS pour économiser la puissance, la fréquence de sortie de l'oscillateur se stabilisera au bout d'une longue durée, ou même elle sera incorrecte ou l'oscillateur sera incapable d'osciller. La figure 2 montre un générateur de fonction 200 avec une fré- quence d'oscillation réglable. Le générateur de fonction 200 comprend deux comparateurs 210 et 220, un circuit de bascule 230 tel qu'un circuit de bascule à portes NON-OU ou un circuit de bascule à portes NON-ET, un condensateur C et deux sources de courant 240 et 250. Les sources de courant (lup) 240 et (Idn) 250 effectuent une opération de charge/ décharge sur le condensateur C par l'intermédiaire des interrupteurs 242 et 252. Une tension de fonctionnement VDD/M est appliquée à la borne d'entrée négative du comparateur 210, tandis qu'une tension de fonction- nement VDD/N est appliquée à la borne d'entrée positive du comparateur 220. La tension de fonctionnement VDD/M est supérieure à la tension de fonctionnement VDD/N. M et N sont des nombres réels positifs. La borne d'entrée positive du comparateur 210 et la borne d'entrée négative du comparateur 220 sont connectées à un noeud N1, le noeud N1 est con- necté à une armature d'un condensateur C et l'autre armature du conden- sateur C est connectée à la masse. Les bornes de sortie N2 et N3 des comparateurs 210 et 220 sont connectées aux bornes d'entrée du circuit de bascule 230. Le circuit de bascule 230 comprend deux bornes de sortie UP et DN connectées aux interrupteurs 242 et 252 qui commandent la charge/décharge du conden- sateur C. Si l'on suppose que la tension du noeud N1 est Vc, lorsque Vc est inférieure à VDD/N, le potentiel de la borne de sortie N2 du compara- teur 210 est Vn2, qui est le niveau "Bas" (c'est-à-dire l'état logique "0"). D'autre part, la tension de la borne de sortie N3 est Vn3, qui est au ni- veau "Haut" (c'est-à-dire l'état logique "1"). Ces deux tensions Vn2 et Vn3 sont appliquées au circuit de bascule 230. Sous l'action du circuit de bas- cule 230, les bornes de sortie UP et DN sont respectivement aux niveaux "Haut" et "Bas". Le condensateur C est alors chargé. En effet, I'interrupteur 242 est fermé du fait que la borne de sortie UP est au niveau "Haut" et l'inter- rupteur 252 est ouvert du fait que la borne de sortie DN est au niveau "Bas". La source de courant 240 charge le condensateur C. La tension Vc au noeud N1 augmente progressivement. Lorsque Vc est supérieure à VDD/N et encore inférieure à VDD/M, la tension Vn2 de la borne de sortie N2 et la tension Vn3 de la borne de sortie N3 sont toutes deux au niveau "Bas". Les bornes de sortie UP et DN sont ver- rouillées à l'état précédent par le circuit de bascule 230, c'est-à-dire que les bornes UP et DN sont respectivement aux niveaux "Haut" et "Bas". Par conséquent, le processus de charge se poursuit. Lorsque la tension Vc au noeud N1 s'élève de façon à être supérieure à VDD/M, la tension Vn2 de la borne de sortie N2 passe au niveau "Haut", et la borne de sortie N3 passe au niveau "Bas". Il en résulte que la borne de sortie UP est au ni- veau "Bas", et la borne de sortie DN est au niveau "Haut". L'interrupteur 252 est fermé et l'interrupteur 242 est ouvert, et la source de courant 250 décharge le condensateur C. La tension Vc du noeud N1 diminue alors progressivement. Lorsque la tension Vc du noeud N1 est inférieure à VDD/N, la borne de sortie UP du circuit de bascule 230 est au niveau "Haut", et la borne de sortie DN est au niveau "Bas". L'interrupteur 242 est fermé et l'interrupteur 252 est ouvert pour charger à nouveau le condensateur C. Le condensateur C est donc périodiquement déchargé et chargé conformément au mécanisme ci-dessus. La tension Vc du noeud N1 est donc semblable à une onde triangulaire périodique. Les signaux de sortie de UP et DN sont les signaux sous forme d'impulsions. La séquence est représentée sur la figure 3. La période de la fréquence d'oscillation est une somme des périodes de charge et de décharge. Le potentiel haut des comparateurs est VDD/M, et le potentiel bas est VDD/N. La période du signal de sortie du générateur de fonction est égale à la somme du temps de charge et du temps de décharge. En se référant à la figure 3, on voit le diagramme de Vc, UP et DN du circuit de bascule 230. La période T est égale à une somme de la période de charge et de la période de décharge. On a ainsi: T = Tcharge + Tdécharge. T = Tcharge + Tdécharge -= Cc(VDD/M-VDD/N)/lup + Cc(VDD/M-VDD/N)/ldn (1) Si lup = Idn = k * VDD (K est un nombre réel positif) T = 2[Cc(VDD/MVDD/N)]/(k*VDD) = 2[Cc((11M)-(/11N))]lk (2) D'après les équations (1) et (2), la période T est indépendante de VDD lorsque les sources de courant lup et Idn sont les mêmes. Ceci vient du fait que les tensions de fonctionnement (référence) des compa- rateurs et le courant pour la charge/décharge sont tous proportionnels à VDD. Une fréquence d'oscillation est donc indépendante de la source de tension. La fréquence d'oscillation de la fonction générée est déterminée conformément au temps des opérations de charge et de décharge. La fré- quence d'oscillation peut également être réglée conformément à la valeur du courant des opérations de charge et de décharge. La figure 4 montre la structure 400 du générateur avec une fré- quence d'oscillation réglable. La structure comprend un générateur de fonction 410 et un circuit de courant de polarisation 420 qui fournit la source de courant. Les éléments incorporés dans le générateur de fonc- tion 410 sont similaires à ceux de la figure 2. Par conséquent, on utilise les mêmes symboles et numéros de référence, sans description et défini- tion supplémentaires. Le courant que fournit le circuit de courant de pola- risation 420 est proportionnel à la source de tension VDD. Le circuit de courant de polarisation 420 comprend plusieurs résistances R connectées en série, avec une extrémité reliée à VDD, et l'autre extrémité reliée à la masse. Un amplificateur opérationnel (OP) 422 comprend une borne d'entrée positive connectée à un point de divi- sion de potentiel des résistances R connectées en série, avec une tension VDD/P. P est un rapport entre le nombre de résistances au-dessous du point de division de potentiel, et le nombre total des résistances R con- nectées en série. La grille du transistor Mbl est connectée à la borne de sortie de l'amplificateur opérationnel 422, le drain du transistor Mbl est connecté à une résistance réglable Rext et à la borne d'entrée négative de l'amplificateur opérationnel 422. Le drain de Mbl est connecté à une grille et une source du transistor Mb2. Le transistor Mb2 a également une source connectée à la tension d'alimentation VDD. D'après la figure 4, on voit qu'en plus du circuit de courant de polarisation 420, la structure comprend en outre un transistor Mb3 et le transistor Mbl. Les grilles des deux transistors Mb3 et M1 sont connec- tées à la grille du transistor Mb2, et les sources des transistors Mb3 et M1 sont connectées à la tension d'alimentation VDD. Le drain du transistor Mb3 est connecté à une grille et une source du transistor Mb4. La grille du transistor M2 est connectée à la grille du transistor Mb4. Si on suppose que le rapport longueur/largeur entre le transistor Mb2 et le transistor M1 est 1:i, et le rapport longueur/largeur entre le transistor Mb4 et le transistor M2 est également 1:i, le courant à travers la résistance réglable Rext est (VDD/P)/Rext. Le courant de charge/ décharge est lup = Idn = ((VDD/P)/Rext) x i. Le facteur dans la période d'oscillation T est k = i/(P x Rext). D'après la structure ci-dessus, la pé- riode d'oscillation T est indépendante de la tension d'alimentation VDD. En se référant à la figure 5, on voit une illustration d'un autre mode de réalisation du circuit de courant de polarisation. L'amplificateur opérationnel est supprimé. D'après ce qui précède, on sait qu'en fournissant seulement un courant stable au générateur de fonction 410, il est possible de régler la fréquence d'oscillation avec la résistance réglable Rext. Si la résistance réglable Rext est placée à l'extérieur du circuit intégré, il est possible de régler la fréquence du signal sous forme d'im- pulsions en réglant extérieurement la valeur de la résistance réglable Rext. En plus des avantages d'être intégrée avec d'autres circuits nu- mériques sur la puce, l'invention procure les caractéristiques suivantes: 1. La fréquence d'oscillation est indépendante de la tension d'alimentation externe VDD. 2. La fréquence de l'oscillateur peut être réglée en réglant la résistance externe. Elle est avantageuse en ce qui concerne l'immunité au bruit de source de tension et la sensibilité dans une application prati- que. Il va de soi que de nombreuses modifications pourront être ap- portées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'inven- tion. REVENDICATIONS 1. Générateur de fonction avec une fréquence d'oscillation ré- glable alimenté par une source de tension VDD, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier comparateur (210) et un second comparateur (220), une tension de fonctionnement du premier comparateur étant ap- pelée une première tension de référence (VDD/M), et une tension de fonctionnement du second comparateur étant appelée une seconde ten- sion de référence (VDD/N), la première tension de référence étant supé- rieure à la seconde tension de référence; un circuit de bascule (230) comprenant une première borne d'entrée (N2), une seconde borne d'en- trée (N3), une première borne de sortie (UP) et une seconde borne de sortie (DN), les première et seconde bornes d'entrée (N2, N3) étant res- pectivement connectées à des bornes de sortie des premier et second comparateurs (210, 220), et des signaux de sortie des premier et second comparateurs (210, 220) étant mémorisés par le circuit de bascule (230); un condensateur (C) dont une armature est connectée à la masse et l'au- tre armature porte une tension de comparaison (Vc); et une première source de courant (240) et une seconde source de courant (250), com- mandées par un premier interrupteur (242) et un second interrupteur (252) pour effectuer la charge ou la décharge du condensateur (C), le premier interrupteur (242) étant commandé par le potentiel de la première borne de sortie (UP) du circuit de bascule (230), et le second interrupteur (252) étant commandé par le potentiel de la seconde borne de sortie (DN) du circuit de bascule (230); et dans lequel, lorsque la tension de compa- raison (Vc) est inférieure à la seconde tension de référence (VDD/N), la première borne de sortie (UP) est au niveau "Haut" et la seconde borne de sortie (DN) est au niveau "Bas"; lorsque la la tension de comparaison (Vc) est supérieure à la seconde tension de référence (VDD/N) et infé- rieure à la première tension de référence (VDD/M), les sorties des pre- mier et second comparateurs sont au niveau "Bas", et les première et se- conde bornes de sortie (UP, DN) du circuit de bascule (230) ne changent pas de niveau de tension; et lorsque la tension de comparaison (Vc) est supérieure à la première tension de référence (VDD/M), la première borne de sortie (UP) est au niveau "Bas" et la seconde borne de sortie (DN) est au niveau "Haut". 2. Générateur de fonction selon la revendication 1, dans lequel la première tension de référence est VDD/M et la seconde tension de ré- férence est VDD/N, M, N sont des nombres réels positifs et M est inférieur à N. 3. Générateur de fonction selon la revendication 2, caractérisé en ce que les courants de la première source de courant (240) et de la seconde source de courant (250) sont proportionnels à la tension d'ali- mentation (VDD). 4. Générateur de fonction selon la revendication 3, caractérisé en ce que les courants des première et seconde sources de courant (240, 250) sont les mêmes. 5. Générateur de fonction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de bascule (230) est un circuit de bascule à portes NON-OU. 6. Générateur de fonction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de bascule (230) est un circuit de bascule à portes NON-ET. 7. Générateur de fonction selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: une multiplicité de résistances connectées en série (R), avec une extrémité connectée à la tension d'alimentation (VDD) et l'autre extrémité connectée à la masse; une résistance réglable (Rext); un premier transistor (Mbl) ayant une première grille, une pre- mière région de source et un premier drain, la première grille étant con- nectée à un point de division de potentiel dans les résistances connectées en série (R), pour diviser la tension d'alimentation, et le premier drain étant connecté à la résistance réglable (Rext); un second transistor (Mb2), comprenant une seconde grille, une seconde source et un second drain, la seconde grille et le second drain étant connectés à la première source du premier transistor (Mbl); et dans lequel un courant traversant la résistance réglable (Rext) est proportionnel à un courant des première et seconde sources de courant, et les courants des première et seconde sources de courant sont commandés par le courant de la résistance ré- glable (Rext). 8. Générateur de fonction selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un amplificateur opérationnel (422) con- necté entre le premier transistor (Mbl) et le point de division de potentiel, comprenant une borne d'entrée positive, une borne d'entrée négative et une troisième borne de sortie, dans lequel la borne d'entrée positive est connectée au point de division de potentiel, la borne d'entrée négative est connectée au premier drain du premier transistor (Mbl) qui est connecté à la résistance réglable (Rext), et la troisième borne de sortie est connec- tée à la grille du premier transistor (Mbl). 9. Procédé de réglage d'une fréquence d'oscillation d'un signal émis par un générateur de fonction, dans lequel le générateur de fonction comprend un premier comparateur (210) avec une première tension de référence (VDD/M), un second comparateur (220) avec une seconde ten- sion de référence (VDD/N), un circuit de bascule (230), un condensateur (C) portant une tension de comparaison (Vc), une première source de courant (240) et une seconde source de courant (250), la première ten- sion de référence étant supérieure à la seconde tension de référence, et la fonction générée correspondant au fonctionnement avec une tension d'alimentation VDD, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on compare la tension de comparaison (Vc) avec les première et seconde tensions de référence (VDD/M, VDD/N); lorsque la tension de comparaison (Vc) est inférieure à la seconde tension de réfé- rence (VDD/N), une première borne de sortie (UP) du circuit de bascule (230) est au niveau "Haut" et une seconde borne de sortie (DN) de celui- ci est au niveau "Bas"; lorsque la tension de comparaison (Vc) est supé- rieure à la seconde tension de référence (VDD/N) et inférieure à la pre- mière tension de référence (VDD/M), les sorties des premier et second comparateurs (210, 220) sont au niveau "Bas", et les première et seconde bornes de sortie (UP, DN) du circuit de bascule (230) ne changent pas de niveau de tension; et lorsque la tension de comparaison (Vc) est supé- rieure à la première tension de référence (VDD/M), la première borne de sortie (UP) est au niveau "Bas" et la seconde borne de sortie (DN) est au niveau "Haut"; on charge/décharge le condensateur (C) conformément au potentiel des première et seconde bornes de sortie (UP, DN) du circuit de bascule (230); lorsque la première borne de sortie (UP) du circuit de bas- cule (230) est au niveau "Haut" et la seconde borne de sortie (DN) est au niveau "Bas", on charge le condensateur (C) avec la première source de courant (240); lorsque la seconde borne de sortie (DN) du circuit de bas- cule (230) est au niveau "Haut" et la première borne de sortie (UP) est au niveau "Bas", on décharge le condensateur (C) avec la seconde source de courant (250); et on détermine la fréquence d'oscillation du signal de sor- tie conformément au temps total de charge et de décharge du condensa- teur (C), c'est-à-dire qu'on règle la fréquence d'oscillation par les cou- rants de charge et décharge. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les courants des première et seconde sources de courant (240, 250) sont proportionnels à la tension d'alimentation (VDD). 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les courants des première et seconde sources de courant (240, 250) sont les mêmes. 12. Procédé selon la revendication 9, dans lequel il existe en outre une résistance réglable (Rext), caractérisé en ce que les courants des première et seconde sources de courant (240, 250) sont commandés en réglant la valeur de la résistance réglable.