Brevet FR2844118A1 — publié le 20040305

CIRCUIT DE DETECTION DE POTENTIEL L'invention concerne un circuit de détection de potentiel pour un dispositif intégré CMOS. L'invention peut notamment être utilisée comme circuit de démarrage ou circuit de détection de chute de potentiel dans tous types de dispositifs intégrés, tels que des dispositifs logiques et /ou analogiques. L'invention est par exemple utilisable dans le domaine des cartes à puce avec ou sans contact, ou plus généralement dans tout domaine dans lequel on utilise des dispositifs intégrés. De manière connue, lors de la mise sous tension d'un dispositif intégré, pendant une phase transitoire, le potentiel d'alimentation VDD qu'il reçoit varie assez rapidement, entre une valeur nulle et une valeur nominale VDDO. Le potentiel VDD conserve ensuite sa valeur VDDO dans la mesure du possible. Dans certaines applications, le potentiel VDD peut varier en cours de fonctionnement normal (c'est le cas par exemple dans les dispositifs sans contact, dans lesquels le potentiel VDD est susceptible de varier en fonction de la qualité de la réception d'un signal radio). Le potentiel VDD chute finalement à zéro lors de la mise hors tension du dispositif intégré. Un circuit de démarrage est généralement utilisé dans un dispositif intégré pour empêcher le fonctionnement des circuits spécialisés du dispositif lorsque le potentiel d'alimentation n'a pas une valeur suffisante pour assurer leur fonctionnement correct. De manière connue, un circuit de démarrage reçoit le potentiel VDD et produit un signal logique de commande POR. Le signal POR est actif si le potentiel VDD est inférieur à un seuil de potentiel VS, et il est inactif dans le cas contraire. Eventuellement, le signal POR est réactivé si le potentiel VDD chute ponctuellement en cours de fonctionnement au dessous du seuil VS. Selon un 1er mode de réalisation connu, un circuit de démarrage comprend un ensemble de diodes connectées en série entre la sortie d'un générateur produisant le potentiel VDD et une masse du circuit. Le signal POR est produit sur un point commun de deux diodes. Si le potentiel VDD est inférieur à la valeur VDDO, les diodes sont bloquées et le signal POR est actif. Un tel circuit de démarrage est très simple à réaliser et peut être utilisé dans toute technologie. Il présente l'inconvénient d'avoir un seuil de potentiel VS peu stable, dérivant notamment avec la température. De plus, le seuil VS ne peut pas être réglé finement, puisqu' il est égal à n*VSO, n étant le nombre de diodes, et VSO étant un seuil (fixé) de conduction des diodes. Selon un 2ème mode de réalisation connu, un circuit de démarrage, dit de type band-gap, comprend (figure 1) un générateur GP de potentiel de référence et un comparateur COMP. Le générateur GP produit un potentiel de référence VBG parfaitement stable. Le générateur GP comprend deux branches parallèles connectées entre un drain d'un transistor TP de type P et une masse du circuit. La première branche comprend deux résistances R1, R2 connectées en série entre d'une part le drain du transistor TP, et d'autre part l'émetteur d'un transistor TB1 bipolaire dont la base et le collecteur sont connectés ensemble à la masse. Sur le point commun des résistances R1, R2, est produit un potentiel VP. La deuxième branche comprend une résistance R3 (identique à la résistance R2) connectée au drain du transistor TP et à l'émetteur d'un transistor bipolaire TB2 dont la base et le collecteur sont connectés ensemble à la masse. Sur le point commun de la résistance R3 et du transistor TB2 est produit un potentiel VM. Le générateur comprend également un amplificateur différentiel AMP, de gain A grand, qui reçoit les potentiels VP, VM, respectivement sur une entrée positive et une entrée négative, et qui produit un signal OUT = A*(VP - VM). Le signal OUT est minimal lorsque VP = VM. La sortie de l'amplificateur AMP est connectée à la grille du transistor TP1. Enfin, le potentiel VDD est appliqué sur la source du transistor TPl. Les résistances R1, R2, R3 sont choisies telles que, à l'équilibre du générateur GP, le potentiel sur le drain du transistor TP est égal à un potentiel VBG de référence dit potentiel de band-gap. VBG est un potentiel inhérent au dispositif et à la technologie utilisée pour le réaliser. VBG parfaitement stable et il est indépendant notamment du potentiel d'alimentation VDD et de la température. Enfin, le comparateur COMP reçoit un potentiel VINT et le potentiel VBG, respectivement sur une entrée positive et une entrée négative. VINT est une image du potentiel d'alimentation VDD à détecter. VINT est par exemple égal ou proportionnel à VDD. Le fonctionnement du circuit de démarrage de la figure 1 est le suivant. A l'équilibre, lorsque VINT est égal à VBG, VP - VM est très proche de zéro, le signal OUT a une valeur minimale, suffisante pour rendre passant le transistor TPl. Si le potentiel VINT est inférieur à VBG, alors VP Inversement, lorsque le potentiel VINT devient supérieur au potentiel VBG, alors VP > VM, le signal OUT est positif, et le signal POR devient inactif. Par rapport à un circuit de démarrage à empilement de diodes, le circuit band-gap de la figure 1 présente l'avantage d'être particulièrement stable en température, car le potentiel VBG est indépendant de la température. Cependant un circuit de démarrage de type band-gap nécessite un apport d'énergie plus ou moins important lorsqu'il est activé. En effet, un circuit band-gap à rétroaction tel que celui de la figure 1 présente deux points de stabilité : le point VINT - 0 et le point VINT VBG. Initialement sur le point VINT = 0, il est nécessaire d'apporter de l'énergie au circuit pour lui permettre d'atteindre le deuxième point de stabilité correspondant à VINT = VBG, ce qui demande une certaine énergie pendant un certain temps. D'où une consommation d'énergie et un retard de fonctionnement à la mise sous tension du circuit de démarrage. Un objet de l'invention est de réaliser un circuit de détection de potentiel qui ne consomme pas ou très peu d'énergie lors de sa mise sous tension. Un autre objet de l'invention est de réaliser un circuit de détection de potentiel apte à détecter un potentiel immédiatement à sa mise sous tension, ne nécessitant pas de phase de démarrage. Un autre objet de l'invention enfin est de réaliser un circuit aussi précis qu'un circuit de détection de type band-gap connu Ces objectifs sont atteints par la réalisation, selon l'invention, d'un circuit de détection d'un potentiel d'alimentation, comprenant : - une première branche qui reçoit le potentiel d'alimentation et qui produit un premier potentiel image du potentiel d'alimentation, et - une deuxième branche qui reçoit le potentiel d'alimentation et qui produit un deuxième potentiel image du potentiel d'alimentation. Selon l'invention le circuit comprend également un comparateur pour comparer le premier potentiel image et le deuxième potentiel image et produire un signal de blocage qui est : dans un premier état logique si le premier potentiel image est inférieur au deuxième potentiel image, et - dans un deuxième état logique sinon. Ainsi, dans un circuit selon l'invention on utilise un comparateur, pour comparer les deux potentiels images produits. Contrairement à un amplificateur bouclé tel que celui utilisé dans les circuits de détection band-gap connus, un comparateur présente l'avantage de ne pas consommer d'énergie (ou très peu) à sa mise sous tension, et il est apte à comparer des potentiels dès sa mise sous tension. Comme on le verra mieux par la suite, le premier potentiel image croît lentement avec le potentiel d'alimentation, le deuxième potentiel image croît rapidement avec le potentiel d'alimentation et le premier potentiel image et le deuxième potentiel image sont égaux lorsque le potentiel d'alimentation est égal à une constante caractéristique du circuit. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la première branche peut comprendre une première résistance comprenant d'une part un premier pôle connecté à un premier pôle d'une deuxième résistance, et d'autre part un deuxième pôle connecté à un émetteur d'un premier transistor bipolaire dont une base et un collecteur sont connectés ensemble à une masse du circuit. Le potentiel d'alimentation est alors appliqué sur un deuxième pôle de la deuxième résistance, et la première banche produit le premier potentiel image sur un point commun de la première résistance et de la deuxième résistance. La deuxième branche peut quant à elle comprendre une troisième résistance comprenant un premier pôle sur lequel est appliqué le potentiel d'alimentation et un deuxième pôle connecté à un émetteur d'un deuxième transistor bipolaire dont une base et un collecteur sont connectés ensemble à la masse du circuit. La deuxième branche produit alors le deuxième potentiel image sur un point commun de la troisième résistance et du deuxième transistor bipolaire. De préférence, la deuxième résistance et la troisième résistance sont identiques. La constante de référence est une constante caractéristique d'une technologie utilisée pour réaliser le circuit. Le circuit de l'invention est avantageusement complété par un pont diviseur de tension pour recevoir le potentiel d'alimentation et produire un potentiel de mesure proportionnel au potentiel d'alimentation. Le potentiel de mesure est dans ce cas appliqué sur le deuxième pôle de la deuxième résistance et sur le premier pôle de la troisième résistance. On peut ainsi détecter avec le même circuit, une large plage de potentiels d'alimentations, en variant les caractéristiques du pont diviseur de tension. Le circuit selon l'invention est encore avantageusement complété par un condensateur connecté en parallèle sur la première branche et la deuxième branche. Comme on le verra mieux par la suite, le condensateur permet de retarder le changement d'état du signal de blocage. L'invention et les avantages qui en découlent apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation d'un circuit de détection de potentiel, selon l'invention. La description est à lire en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, est un schéma d'un circuit band-gap connu de détection de potentiel, et la figure 2 est un schéma électronique d'un circuit de détection de potentiel selon l'invention. Le circuit de la figure 2 peut être utilisé comme circuit de démarrage et / ou circuit de détection de chute de potentiel, dans un dispositif intégré CMOS. Sur le circuit de la figure 2, et par rapport au circuit de la figure 1, les modifications suivantes ont été apportées : - l'amplificateur différentiel A a été supprimé et remplacé par le comparateur COMP, réalisé selon un schéma CMOS, - le transistor TPl a été supprimé, ainsi que toute connexion entre une électrode de TPl et un autre élément du circuit, - l'entrée négative du comparateur n'est plus connectée au point commun des résistances R2, R3, elle est maintenant connectée au point commun de la résistance R3 et du transistor TB2, le potentiel VINT n'est plus appliqué sur l'entrée positive du comparateur, mais sur le point commun des résistances R2, R3. Le comparateur COMP reçoit sur une entrée positive le potentiel VP et sur une entrée négative le potentiel VM. Le comparateur produit directement le signal de validation POR qui est actif si le potentiel VP est supérieur au potentiel VM, et inactif sinon. Le comparateur COMP est réalisé selon un schéma CMOS connu, à base de transistors essentiellement. Le fonctionnement du circuit de démarrage selon l'invention est le suivant. Lorsqu'un potentiel VINT est appliqué sur le point commun des deux branches du circuit, un courant Il, respectivement 12 circule dans chaque branche. Dans la deuxième branche, on a : VINT - VBE2 + R3.I2 (EQl) = VP + R3. I2 (EQ2) 12 = n.IS.exp (VBE2/Ut) et dans la première branche, on a : VINT = VBE1 + (R1+R2).I1 (EQ4) = VM + R2.Il (EQ5) Il = IS.exp(VBEl/Ut) (EQ6) avec : Ut = kT/q : un coefficient thermodynamique. Dans un exemple, Ut est de l'ordre de 25. 8mV à 27 Celsius. VBE1, VBE2 : la tension entre la base et l'émetteur du transistor TB1, respectivement TB2. n : un coefficient multiplicateur, représentatif de la différence de taille entre le transistor TB1 et le transistor TB2. Dans un exemple de réalisation pratique du circuit, pour former le transistor TBl, on utilise 8 transistors identiques au transistor TB2, connectés en parallèle entre le pôle de la résistance R1 et la masse. Dans ce cas, n = 8. Les résistances RI, R2, R3 sont choisies telles que, lorsque VINT = VBG, alors Il = 12 = IEQ. Dans un exemple numérique, on peut prendre R1 = 4.5 KQ et R2 = R3 = 52 KQ pour VBG = 1. 25 V. On obtient dans ce cas un courant IEQ à l'équilibre de l'ordre de 12 A. Des équations EQ2 et EQ5, on déduit que : VP = VM lorsque VINT = VBG (EQ7) Des équations EQl et EQ4, avec Il = 12 = IEQ et R2 = R3, il vient : IEQ = (VBE2 - VBE1)/R1 (EQ8) Des équations EQ3 et EQ6, on déduit que VBE1 = Ut.(ln(Il) - ln(IS) - ln(n)) (EQ9) VBE2 = Ut. (ln(I2) - ln(IS)) (EQ10) soit VBE2 - VBE1 = Ut. ln (n) VINT = VBG (EQll) On en déduit finalement : IEQ = Ut. ln(n) / RI (EQ12) Posons Il = IEQ + il et 12 = IEQ + i2. De EQ1, EQ4, EQ9, EQ10, il vient : Ut.(ln(IEQ+il) - ln(IS) - ln(n))+(Rl+R2).(IEQ+il) Ut.(ln(IEQ+i2) - ln(IS))+R3.(IEQ+i2) soit Ut.(ln(IEQ+il)- ln (n)) +il.(Rl+R2)+Rl.IEQ = Ut. ln(IEQ+i2)+R3.i2 ou encore : Ut. ln(l+il/IEQ) + (Rl+R2).il + Rl.IEQ-Ut.ln(n) = Ut. ln(l+i2/IEQ)+R3.i2 En remplaçant IEQ par sa valeur donnée par l'équation EQ12, on en déduit finalement : Ut.ln(l+il/IEQ) + (Rl+R2).il = Ut.ln(l+i2/IEQ) + R3.i2 (EQ13) Par définition, lorsque VINT = VBG, il = i2 = 0, Il = 12 = IEQ et il s'ensuit VP = VM. Lorsque VINT > VBG, on a I1, 12 supérieurs à IEQ, et donc il, i2 positifs. Dans ce cas, tous les termes de l'équation EQ13 sont positifs, on en déduit alors que il > i2, donc Il > 12. Des équations 2 et 5, on déduit finalement VM > VP. Le comparateur COMP fournit finalement un signal POR inactif. Lorsque VINT augmente, pour une même valeur de VINT, on a Il > 12, donc le courant Il augmente plus rapidement que le courant 12 en fonction de VINT. De manière similaire, lorsque VINT augmente, pour une même valeur de VINT, on a VM > VP, donc le potentiel VM croît plus rapidement que le potentiel VP. Inversement, lorsque VINT En résumé : lorsque VINT = VBG : VM = VP lorsque VINT VBG : VM > VP et POR est inactif On note que le basculement du comparateur se fait pour VINT = VBG. Or, VBG est une constante liée à la technologie utilisée pour réaliser le circuit, et notamment indépendante de la température ou des variations dues au process de fabrication. Le circuit de la figure 2 est avantageusement complété par deux résistances R4, R5 (représentées en pointillés sur la figure 2) formant un pont diviseur de tension. Les résistances R4, R5 sont connectées en série, un potentiel VDD est appliqué sur un pôle de la résistance R4 et un pôle de la résistance R5 est connecté à la masse du circuit. Le point commun des résistances R4, R5 est connecté au point commun des deux branches du circuit de démarrage, c'est-à-dire au point commun des deux résistances R3. Les résistances R4, R5 sont choisies de sorte que le courant 13 circulant dans la résistance R4 soit très supérieur au courant Il + 12 circulant dans les résistances R3. Ainsi, le potentiel VINT présent sur le point commun des deux branches du circuit est proportionnel au potentiel VDD appliqué sur la résistance R4 : VDD = (R4+R5)/ R5 * VINT (EQ14) Dans ce cas : lorsque VDD = VDDO : VM = VP lorsque VINT VDDO : VM > VP et POR est inactif avec VDDO = (R4+R5)/R5 * VBG. En choisissant R4, R5 de manière appropriée, on peut ainsi détecter une large plage de valeurs de VDDO, simplement en ajustant R4, R5. Dans un exemple numérique, on choisit R4 = R5 = 1 K#, pour détecter un potentiel VDDO de l'ordre de 2. 5 V. Par ailleurs, comme il est possible d'ajuster finement la valeur des résistances R4, R5, il devient possible d'ajuster finement la valeur VDDO à détecter (et non plus par pallier comme dans un circuit de démarrage à diodes). Enfin, les résistances R4, R5 varient de manière semblable, le rapport R4, R5 est donc indépendant d'éventuelles variations de process, de température. Le circuit de démarrage selon l'invention est donc particulièrement stable. Le circuit de la figure 2 peut également être amélioré par l'ajout d'un condensateur C en parallèle sur les première et deuxième branches du circuit. En combinaison avec les résistances R1, R2, R3 des branches du circuit, le condensateur C forme un filtre qui retarde les variations du signal POR, et notamment qui retarde la désactivation du signal POR en sortie du circuit de démarrage. Ainsi, lorsque le signal POR est produit, le potentiel VDD a déjà dépassé la valeur VDDO. Le condensateur C apporte donc une garantie supplémentaire. On notera que dans le circuit de démarrage selon l'invention, il n'y a pas de transistor entre le point sur lequel est appliqué le potentiel à détecter et les deux branches utilisées pour la détection. Le potentiel à détecter est appliqué directement sur les deux branches utilisées pour la détection. En conséquence, le potentiel minimal qu'il est possible de détecter avec le circuit selon l'invention est de l'ordre de 1 V, c'est-à-dire la chute de tension minimale aux bornes d'un transistor bipolaire passant. Avec le circuit de l'invention, il est ainsi possible de détecter des potentiels plus faibles que ceux qu'il est possible de détecter avec un circuit de type band-gap connu. Aussi, et contrairement à un circuit de type band-gap, le circuit selon l'invention peut être utilisé dans des dispositifs à faible ou très faible potentiel d'alimentation. On notera également que le circuit de la figure 2 ne comprend pas d'amplificateur, ni de boucle de rétroaction, il n'est donc pas nécessaire de fournir de l' énergie à un tel circuit lors de sa mise sous tension. Le circuit selon l'invention est donc actif dès sa mise sous tension, au contraire d'un circuit de type band-gap connu. On notera enfin que le circuit de détection de la figure 2 permet de détecter aussi bien des potentiels VDD croissants que des potentiels VDD décroissants. Il peut donc aisément être utilisé comme circuit de démarrage et / ou comme circuit de détection de chute de potentiel. REVENDICATIONS 1. Circuit de détection d'un potentiel d'alimentation (VDD, VINT), comprenant : - une première branche (R2, R1, TB1) recevant le potentiel d'alimentation (VDD, VINT) et produisant un premier potentiel image du potentiel d'alimentation (VDD, VINT) , une deuxième branche (R3, TB2) recevant le potentiel d'alimentation (VDD, VINT) et produisant un deuxième potentiel image du potentiel d'alimentation (VDD, VINT), le circuit étant caractérisé en ce qu'il comprend également un comparateur (COMP) pour comparer le premier potentiel image (VP) et le deuxième potentiel image (VM) et produire un signal de blocage (POR) qui est : - dans un premier état logique (actif) si le premier potentiel image (VP) est inférieur au deuxième potentiel image (VM), et - dans un deuxième état logique (inactif) sinon. 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel le premier potentiel image (VP) croît lentement avec le potentiel d'alimentation (VDD, VINT), le deuxième potentiel image croît rapidement avec le potentiel d'alimentation (VDD, VINT) et le premier potentiel image (VP) et le deuxième potentiel image (VM) sont égaux lorsque le potentiel d'alimentation est égal à une constante caractéristique du circuit ((1+R4/R5)*VBG, VBG) . 3. Circuit selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la première branche (R2, R1, TB1) comprend une première résistance (R1) comprenant d'une part un premier pôle connecté à un premier pôle d'une deuxième résistance (R2), et d'autre part un deuxième pôle connecté à un émetteur d'un premier transistor bipolaire (TB1) dont une base et un collecteur sont connectés ensemble à une masse du circuit, le potentiel d'alimentation (VDD, VINT) étant appliqué sur un deuxième pôle de la deuxième résistance (R2), la première banche produisant le premier potentiel image (VP) sur un point commun de la première résistance (R1) et de la deuxième résistance (R2). 4. Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la deuxième branche comprend une troisième résistance (R3) comprenant un premier pôle sur lequel est appliqué le potentiel d'alimentation (VDD, VINT) et un deuxième pôle connecté à un émetteur d'un deuxième transistor bipolaire (TB2) dont une base et un collecteur sont connectés ensemble à la masse du circuit, la deuxième branche produisant le deuxième potentiel image (VM) sur un point commun de la troisième résistance (R3) et du deuxième transistor bipolaire (TB2). 5. Circuit selon la revendication 4, dans lequel la deuxième résistance (R2) et la troisième résistance (R3) sont identiques. 6. Circuit selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel la constante de référence (VBG) est une constante caractéristique d'une technologie utilisée pour réaliser le circuit. 7. Circuit selon l'une des revendications 4 à 6, comprenant également un pont diviseur de tension (R4, R5) pour recevoir le potentiel d'alimentation (VDD) et produire un potentiel de mesure (VINT) proportionnel au potentiel d'alimentation, le dit potentiel de mesure étant appliqué sur le deuxième pôle de la deuxième résistance (R2) et sur le premier pôle de la troisième résistance (R3). 8. Circuit selon la revendication 7, dans lequel le pont diviseur de tension comprend une quatrième résistance (R4) et une cinquième résistance (R5) connectées en série entre un point sur lequel est appliqué le potentiel d'alimentation (VDD) et la masse du circuit, le pont diviseur de tension produisant l'image du potentiel d'alimentation sur un point commun de la quatrième résistance (R4) et de la cinquième résistance (R5) . 9. Circuit selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un condensateur (C) connecté en parallèle sur la première branche et la deuxième branche.