Brevet FR2860307A1 — publié le 20050401

CIRCUIT INTEGRE AVEC FONCTION DE DEMARRAGE AUTOMATIQUE L'invention concerne les circuits électroniques intégrés, et notamment ceux qui comportent des fonctions analogiques. Les circuits à fonctions analogiques, contrairement aux circuits purement logiques, nécessitent souvent la présence de circuits de polarisation qui définissent des sources de courant de valeur bien définie. Typiquement, pour réaliser ces circuits de polarisation on utilise des cellules à miroir de courant rebouclées sur elles-mêmes: une branche du miroir impose un courant de valeur forcée à une autre branche qui ellemême impose à la première branche un courant de valeur forcée. C'est ce type de rebouclage qui permet de définir un point de fonctionnement relativement stable, notamment un courant dont la valeur est bien définie par rapport à la température. Des circuits de polarisation de type "bandgap" ou de type PTAT ("proportional to absolute temperature") sont classiques. Malheureusement, ces circuits de polarisation ont un inconvénient qui est le caractère aléatoire de leur démarrage à la mise sous tension ou après une interruption anormale de fonctionnement (microcoupure d'alimentation ou autre perturbation). Ce caractère aléatoire s'explique du fait qu'ils possèdent, en dehors de leur point de fonctionnement stable pour lequel ils présentent les caractéristiques désirées (notamment en fonction de la température), un autre point de fonctionnement stable indésirable à courant nul ou presque nul (c'est-à-dire un point de fonctionnement différent de celui auxquels ils doivent rester en fonctionnement normal). En l'absence d'alimentation ou à la remise sous tension ils risquent de rester à ce point de fonctionnement indésirable sans pouvoir s'en écarter spontanément. C'est pourquoi on cherche à adjoindre à ces circuits un circuit auxiliaire de démarrage qui force un courant à s'établir dans le circuit de polarisation au moment de la remise sous tension, et qui force donc ce circuit vers son point de fonctionnement normal en l'écartant du point de fonctionnement indésirable. Les circuits de démarrage utilisés dans ce contexte sont de deux types: ceux qui doivent être actionnés par une commande spécifique de démarrage; ceux-ci peuvent avoir une consommation faible au repos et consommer un courant important pendant la durée de démarrage qui est très courte; ces circuits ont donc l'avantage de consommer peu de courant en régime permanent, mais ils ont l'inconvénient de ne pas pouvoir démarrer automatiquement lors d'une remise sous tension; - ceux qui peuvent démarrer automatiquement en présence d'une alimentation, que ce soit à la mise sous tension, à la remise sous tension après une microcoupure, ou après toute autre perturbation qui aurait arrêté le fonctionnement normal du circuit de polarisation; ces circuits ont en général l'inconvénient de consommer io un courant permanent non négligeable. Or la consommation de courant est un paramètre qui devient de plus en plus important dans beaucoup d'applications et notamment toutes les applications qui fonctionnent sur petites batteries (téléphones portables, etc.). L'invention a pour but de proposer un circuit de démarrage automatique qui à la fois peut redémarrer automatiquement à la mise sous tension ou après une perturbation d'alimentation et qui consomme très peu de courant en régime permanent. Le circuit de démarrage selon l'invention, destiné à assurer le démarrage automatique d'un circuit de polarisation après une perturbation de fonctionnement de ce dernier, comporte, dans un substrat de circuit intégré d'un premier type de conductivité comportant au moins un caisson d'un type de conductivité opposé et une zone semiconductrice de même type que le substrat, formée dans le caisson et constituant avec le caisson une jonction PN, - un premier transistor ou transistor de détection de l'état de fonctionnement du circuit de polarisation, connecté au circuit de polarisation de manière à être conducteur lorsque le circuit de polarisation fonctionne normalement et bloqué dans des cas de fonctionnement anormal, ce transistor étant placé en série avec la jonction PN entre deux bornes d'alimentation, la zone semiconductrice étant reliée à l'une des bornes d'alimentation, le drain du premier transistor étant relié au caisson par un conducteur, - un deuxième transistor ou transistor d'activation du 35 redémarrage, dont la grille est reliée au drain du premier transistor, le deuxième transistor étant bloqué par la mise en conduction du premier transistor et étant rendu conducteur du fait des courants de fuite de la jonction lorsque le premier transistor est bloqué. Le principe de l'invention peut se décomposer de la manière 5 suivante: le premier transistor est en quelque sorte un miroir du fonctionnement du circuit de polarisation; si ce dernier fonctionne normalement, le premier transistor est conducteur; il conduit un courant dans une branche qui heureusement est à très faible consommation car elle ne comporte que le chemin de fuite de la jonction PN; et le premier transistor, lorsqu'il est conducteur, empêche le deuxième de conduire du courant; - mais si le circuit de polarisation est bloqué, alors le premier transistor est bloqué ; la présence de courants de fuite de la jonction PN, supérieurs à ceux du premier transistor, modifie le potentiel de grille du deuxième transistor jusqu'à le rendre conducteur; quand il est conducteur, il injecte du courant en provenance d'une alimentation du circuit vers le circuit de polarisation pour forcer ce dernier à redémarrer. La condition est donc que la jonction PN ait un courant de fuite notablement supérieur à celui du premier transistor en fonctionnement normal, cette supériorité tirant la grille du deuxième transistor vers un potentiel qui rend ce dernier conducteur. C'est pourquoi la jonction PN est de préférence réalisée sous forme de plusieurs jonctions élémentaires en parallèle: plusieurs zones semiconductrices de même type de conductivité que le substrat, séparées, et reliées électriquement les unes aux autres forment un pôle de la jonction, le ou les caissons forment l'autre pôle. S'il y a plusieurs caissons séparés, reliés électriquement les uns aux autres, ils comportent au moins une zone semiconductrice diffusée dans chacun d'eux pour constituer une jonction élémentaire et les jonctions élémentaires sont mises en parallèle pour former globalement la jonction PN. En pratique, on prévoit que chaque caisson comporte deux zones semiconductrices diffusées, séparées par un intervalle surmonté d'une grille reliée électriquement à ces deux zones, l'ensemble constituant un transistor ayant sa grille son drain et sa source réunis. Ce "transistor" ne fonctionne pas en transistor puisque toutes ses électrodes sont réunies, mais il fonctionne comme deux diodes en parallèle constituées l'une entre le caisson et le drain l'autre entre le caisson et la source. Ce transistor est de préférence de même constitution et mêmes dimensions que le premier transistor ou de dimensions multiples de celles du premier. II y a de préférence au moins quatre (entre quatre et dix) transistors ainsi montés en diodes polarisées en inverse, de manière à assurer que les fuites de courant produites dans cet ensemble de transistors soient largement supérieures aux fuites du premier transistor quelle que soit la dispersion des fuites des différents transistors réalisés sur le circuit intégré. 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 15 dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente le principe du circuit de démarrage selon l'invention, associé à un circuit de polarisation donné à titre d'exemple; - la figure 2 représente une coupe de substrat de circuit intégré de type P dans lequel est formé le circuit de démarrage selon l'invention; - la figure 3 représente le circuit de démarrage selon l'invention, légèrement modifié par adjonction d'autres éléments lorsque le circuit de polarisation doit pouvoir être commandé en marche-arrêt par un signal de commande. Sur la figure 1, on a représenté sur la partie droite dans un cadre tireté 10 un circuit de polarisation de type classique servant de référence de courant pour d'autres circuits analogiques non représentés, faisant partie du même circuit intégré. Et dans la partie gauche on a représenté dans un cadre tireté 20 le circuit de démarrage associé, destiné à forcer le fonctionnement du circuit de polarisation dans son état de fonctionnement stable désiré pour l'empêcher de rester dans un pseudo état stable à courant nul ou presque nul qui serait un état indésirable. Le circuit de polarisation n'est donné qu'à titre d'exemple. C'est un circuit à deux branches en miroir de courant réciproque dans lequel chaque branche recopie le courant de l'autre branche. Dans cet exemple il s'agit d'un circuit fournissant une référence de courant proportionnelle à la température absolue. La première branche comporte un transistor PMOS référencé Q1, ayant sa grille reliée à son drain et sa source à une première borne d'alimentation A, ce transistor Q1 étant en série avec un transistor NPN Q2. Le transistor Q2 peut être réalisé, comme c'est représenté sur la figure 1, par plusieurs transistors en parallèles. Le transistor NPN Q2 a son émetteur relié à une deuxième borne d'alimentation B par l'intermédiaire d'une résistance d'émetteur R2, son collecteur relié au drain du transistor P1 et à une borne io de sortie S du circuit de polarisation. La borne B est une borne de masse générale, la borne A reçoit une tension d'alimentation positive Vcc. La deuxième branche du circuit de polarisation comporte un transistor PMOS Q3 en série avec un transistor NPN Q4. Le transistor Q3 est de préférence identique au transistor Q1 et il a sa source et sa grille reliés à la source et la grille respectivement du transistor Q1 pour recopier, avec un rapport de recopie unitaire, le courant présent dans le transistor Q1. Le transistor NPN Q4 a son émetteur relié à la borne B sans résistance d'émetteur ou avec une résistance d'émetteur plus petite que la résistance d'émetteur R du transistor Q2; il a par ailleurs son collecteur relié à sa base et à la base du transistor Q2, et relié également au drain du transistor Q3. Le transistor Q2 est plus gros que le transistor Q4 et il tend donc à recopier le courant du transistor Q4, avec un rapport de recopie supérieur à 1. Cette double recopie de courant engendre un point de fonctionnement stable définissant un courant de référence dans chaque branche. Ce courant de référence peut lui-même être recopié en utilisant la sortie S pour piloter la grille d'autres transistors PMOS de recopie, ou une sortie S' prélevée sur la base de Q4 pour piloter la base d'autres transistors NPN de recopie. On a ainsi décrit un exemple de circuit de polarisation en technologie mixte bipolaire/MOS étant donné que beaucoup de circuits analogiques sont faits dans cette technologie, mais les transistors bipolaires peuvent être remplacés par des transistors NMOS. D'autres exemples de circuits de polarisation pourraient être donnés. Pour éviter que ce circuit de polarisation reste bloqué dans son état stable indésirable à courant nul ou presque nul, on lui adjoint le circuit de démarrage selon l'invention représenté dans le bloc tireté 20. Dans tout ce qui suit, on considérera que le circuit intégré est en technologie mixte bipolaire et CMOS et est formé sur un substrat semiconducteur de type P dans lequel sont formés des caissons d'isolation de type N pour les transistors PMOS; la borne d'alimentation A est positive par rapport à la borne d'alimentation B qui constitue une masse générale du circuit. Si le circuit était constitué sur un substrat de type N, les transistors PMOS mentionnés seraient remplacés par des transistors NMOS réalisés dans des caissons isolés de type P, les transistors bipolaires seraient PNP et les potentiels d'alimentation seraient inversés. Le circuit de démarrage 20 comporte d'abord un premier transistor PMOS P1 monté de manière à tendre à recopier le courant présent dans les branches du circuit de polarisation. Il sert de détecteur du fonctionnement normal du circuit de polarisation en ce sens qu'il va être conducteur si les transistors Q1 et Q2 sont conducteurs (fonctionnement normal) et qu'il va être bloqué si les transistors Q1 et Q2 sont bloqués (circuit de polarisation non démarré malgré la présence d'une tension d'alimentation entre les bornes A et B). La source du transistor P1 est à la borne A comme celle de Q1 et Q3; sa grille est reliée aux grilles de Q1 et Q3. Le transistor P1 est en série avec un ensemble de jonctions semiconductrices PN en parallèle, polarisées en inverse, qui ont pour fonction d'établir un chemin de courant de fuite entre le drain de P1 et la borne de masse B. Ces jonctions sont réalisées par des zones semiconductrices de même type de conductivité que le substrat, diffusées dans un caisson de type de conductivité opposé à celui du substrat. Le caisson est relié par un conducteur au drain du premier transistor P1. Les zones semiconductrices diffusées dans le caisson sont reliées à la borne d'alimentation B. La jonction constituée entre ces zones semiconductrices et le caisson est polarisée en inverse et ne peut être parcourue que par les courants de fuite de cette jonction. En pratique, comme on l'expliquera plus loin, ces jonctions peuvent être réalisées sous forme de transistors (drain et source séparée par une grille) semblables au transistor P1. Sur la figure 1, les jonctions sont désignées globalement par la référence J1 et sont constituées par plusieurs transistors en parallèle ayant chacun leur source, leur grille et leur drain réunis et reliés à la borne B. Ces transistors sont dans un caisson unique ou dans des caissons séparés et dans ce dernier cas, tous les caissons sont reliés au drain du transistor P1. Le premier transistor, associé à la jonction J1, sert à la détection d'une situation anormale nécessitant un redémarrage. Pour l'activation de ce redémarrage, on prévoit un deuxième transistor P2, ayant sa grille reliée au drain de P1, et sa source reliée (directement dans le cas de la figure 1, indirectement dans le cas de la figure 3 comme on le verra) à la borne d'alimentation A. Le drain de ce deuxième transistor P2 est relié au circuit de polarisation et permet d'injecter un courant dans ce circuit pour le faire redémarrer lorsque le transistor P2 est rendu conducteur. Dans l'exemple de circuit de polarisation représenté à la figure 1, le drain du transistor de redémarrage P2 est relié directement à la base et à l'émetteur du transistor NPN Q4 (monté en simple diode) et il injecte un courant dans ce transistor Q4, ce qui fait démarrer le circuit de polarisation. Le circuit fonctionne de la manière suivante: en cas de non-démarrage du circuit de polarisation après une coupure ou une microcoupure d'alimentation, le courant est nul ou quasiment nul dans les branches des miroirs de courant du circuit de polarisation. Le transistor de détection P1 est monté de manière à tendre à recopier le courant dans le transistor Q1; comme ce courant est très faible ou nul, le transistor P1 va être luimême parcouru par un courant très faible ou nul. Mais des courants de fuite existent dans le transistor P1, notamment un courant de fuite de la jonction existant entre le caisson (relié à la borne A) du transistor P1 et le drain de ce transistor. En présence d'une tension d'alimentation Vcc sur la borne A, un courant de fuite passe de la borne A au drain du transistor P1 puis au caisson des jonctions J1, ce caisson étant relié par un conducteur au drain du transistor P1. De là, le courant de fuite peut passer dans les jonctions J1 et aller vers la borne de masse B. On choisit les dimensions de la jonction J1 de telle sorte que la résistance au passage des courants de fuite soit plus faible dans la jonction J1 que dans le transistor P1. Ceci est possible bien que les courants de fuite soient mal connus: il suffit de choisir les dimensions des jonctions J1 assez grandes par rapport aux dimensions de drain et source du transistor P1 (par exemple en utilisant comme jonction J1 plusieurs transistors en parallèle, chacun de taille équivalente à celle de P1, ces transistors ayant leur grille leur drain et leur source réunis, le drain et la source formant avec le caisson la jonction désirée). Le rapport des résistances de fuite de J1 et P1 fait donc que le potentiel de grille du transistor P2 s'abaisse progressivement au fur et à mesure du passage des courants de fuite, de sorte que le transistor PMOS P2 devient conducteur. Le transistor P2 injecte alors dans le transistor Q4 un courant suffisant pour faire démarrer le circuit de polarisation. Lorsque le circuit de polarisation a démarré, le transistor P1 (qui tend à recopier le courant présent dans les branches du circuit de polarisation) tend à conduire un courant largement plus important que les courants de fuite des jonctions J1. Le rapport entre les résistances au passage de courant du transistor P1 et de la jonction J1 s'inverse et le potentiel de grille du transistor P2 remonte à une valeur qui bloque franchement ce transistor. Le courant consommé par le transistor P2 au démarrage cesse donc d'être consommé après le démarrage. Ne reste consommé en permanence que le courant de fuite de la jonction J1, ce qui représente une consommation faible. La figure 2 représente une vue en coupe de principe du substrat de circuit intégré sur lequel peut être installé le circuit selon l'invention. Le substrat est ici un substrat de type P dans lequel sont diffusés des caissons de type N. Les transistors PMOS sont formés dans ces caissons. Le transistor de détection de fonctionnement P1 est formé dans un caisson relié à la borne d'alimentation positive A. La source de P1 est reliée à cette borne. La grille est reliée au circuit de polarisation 10 dont on veut détecter le fonctionnement anormal pour le faire redémarrer; plus précisément, la grille de P1 est reliée à la grille (non représentée sur la figure 2) des transistors Q1 et Q3. Le transistor P2 est formé dans un autre caisson de type N, également relié à la borne A; la source de P2 est reliée à la borne A; sa grille est reliée au drain du transistor P1; son drain est relié au circuit de polarisation pour forcer un courant de redémarrage dans ce circuit; conformément à la figure 1, le drain de P2 est relié à l'émetteur et à la base du transistor Q4. La jonction J1 est ici formée par deux "transistors" en parallèle, situés dans des caissons séparés 31 et 32, mais dans la pratique on utilisera de préférence de quatre à dix transistors en parallèle pour être sûr que, malgré la dispersion des courants de fuite d'un transistor à l'autre, le courant de fuite de l'ensemble de la jonction J1 soit supérieur au courant de fuite du transistor P1 dans l'état bloqué. Chaque caisson de la jonction J1 est relié au drain de P1 et donc à la grille de P2. Chacun des deux "transistors" est formé par une zone semiconductrice de drain (33, 35) et une zone de source (34, 36) de type P, ces zones étant séparées par un espace de type N recouvert par une grille (37, 38) ; grille, source et drain de chaque "transistor" sont reliés à la borne de masse B. Le substrat semiconducteur de type P dans lequel est formé l'ensemble du circuit est également mis à la masse par sa face avant et/ou par sa face arrière. La figure 3 représente une modification de circuit selon laquelle on peut assurer un démarrage et un arrêt manuel du circuit de polarisation en plus du démarrage automatique. Par exemple, on peut souhaiter que le circuit de polarisation soit inhibé volontairement par action d'un bouton poussoir qui fournit un signal logique ON/OFF (marche/arrêt) pour limiter la consommation au repos malgré la présence d'une alimentation Vcc de veille entre les bornes A et B. Dans ce cas d'interruption forcée du circuit de polarisation, une inversion du signal logique ON/OFF permet de redémarrer le circuit. Pour cela, on prévoit de préférence la disposition suivante: un transistor NMOS Ti a sa source reliée à la borne B et son drain relié au drain du transistor P2; il court-circuite, lorsqu'il est conducteur, la base et l'émetteur des transistors Q2 et Q4 des deux branches du circuit de polarisation et empêche le fonctionnement (et la consommation de courant) de ce dernier. La grille du transistor Ti est reliée à la sortie d'un inverseur 11 qui reçoit à son entrée un signal logique de marche/arrêt (marche au niveau haut, arrêt au niveau bas) ; l'application du signal d'arrêt rend conducteur le transistor Ti. La sortie de l'inverseur 11 est également reliée à la grille d'un transistor PMOS T2 qui est placé en série entre la borne A et la source du transistor P1. Ce transistor T2 est bloqué par le signal d'arrêt, en même temps que le transistor Ti est rendu conducteur. II empêche toute consommation de courant en mode "arrêt" par le transistor P2 et le transistor Ti qui sont conducteurs. L'inverseur 11, le transistor Ti et le transistor T2 assurent un blocage sans consommation du circuit de polarisation. Pour faire redémarrer manuellement le circuit plus rapidement o dans le cas où il a été manuellement bloqué (le redémarrage automatique plus lent étant alors réservé aux cas de coupure d'alimentation), on prévoit de plus un ensemble en série de deux transistors NMOS T3 et T4, l'un étant commandé par la sortie de l'inverseur 11 et l'autre par la sortie d'un deuxième inverseur 12 qui reçoit lui-même la sortie du premier inverseur 11. Cet ensemble en série est disposé entre la grille du transistor d'activation P2 et la masse B. Il permet de mettre à la masse pendant un très court instant (le temps de réaction de l'inverseur 12) la grille du transistor P2, ce qui rend conducteur ce dernier et active le démarrage instantanément. En dehors de ce court instant, l'un des transistors T3 et T4 au moins est bloqué et l'ensemble en série de T3 et T4 ne consomme pas de courant et n'a pas d'influence sur le transistor P2. Le court instant d'activation du démarrage se produit lors du passage à l'état logique haut du signal de marche/arrêt en vue d'un démarrage manuel: le transistor T3 devient conducteur au moment du basculement de l'interrupteur 11, alors que le transistor T4 est encore lui- même conducteur car il ne réagit qu'après le léger retard introduit par l'inverseur 12. Pendant le court instant où T3 et T4 sont conducteurs, la grille du transistor P2 est mise à la masse et P2 devient conducteur. Cette conduction cesse aussitôt après. Cette disposition de la figure 3 n'empêche en rien un redémarrage 30 automatique en cas de perturbation de la tension d'alimentation comme dans le cas de la figure 1. REVENDICATIONS 1. Circuit de démarrage (20) destiné à assurer le démarrage automatique d'un circuit de polarisation (10) après une perturbation de fonctionnement de ce dernier, caractérisé en ce qu'il comporte, dans un substrat de circuit intégré d'un premier type de conductivité comportant au moins un caisson d'un type de conductivité opposé (31, 32) et une zone semiconductrice (33, 34, 35, 36) de même type de conductivité que le substrat, formée dans le caisson et constituant avec le caisson une jonction PN, - un premier transistor (P1) ou transistor de détection de l'état de fonctionnement du circuit de polarisation, connecté au circuit de polarisation de manière à être conducteur lorsque le circuit de polarisation fonctionne normalement et bloqué dans des cas de fonctionnement anormal, ce transistor étant placé en série avec la jonction PN entre deux bornes d'alimentation (A et B), la zone semiconductrice (33, 34, 35, 36) étant reliée à l'une des bornes d'alimentation (B), le drain du premier transistor (P1) étant relié au caisson par un conducteur, - un deuxième transistor (P2) ou transistor d'activation du redémarrage, dont la grille est reliée au drain du premier transistor, le 25 deuxième transistor étant bloqué par la mise en conduction du premier transistor et étant rendu conducteur du fait des courants de fuite de la jonction PN lorsque le premier transistor est bloqué. 2. Circuit de démarrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la jonction PN est formée à partir de plusieurs zones semiconductrices de même type de conductivité que le substrat, séparées, et reliées électriquement les unes aux autres. 3. Circuit de démarrage selon la revendication 2, caractérisé en 35 ce que la jonction PN comporte plusieurs caissons séparés reliés électriquement les uns aux autres, avec au moins une zone semi- conductrice diffusée dans chaque caisson pour constituer une jonction PN élémentaire dans ce caisson, les différentes jonctions élémentaires étant ainsi connectées en parallèle. 4. Circuit de démarrage selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque caisson comporte deux zones semiconductrices diffusées, séparées par un intervalle surmonté d'une grille reliée électriquement à ces deux zones, l'ensemble constituant un transistor ayant sa grille son drain et sa source réunis. 5. Circuit de démarrage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le transistor constitué dans le caisson et ayant sa grille, son drain et sa source réunis est de dimensions multiples des dimensions du premier transistor (P1). 6. Circuit de démarrage selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le nombre de transistors ayant leur grille, leur drain et leur source réunis à la deuxième borne d'alimentation (B) est d'au moins quatre.