Brevet FR2925184A1 — publié le 20090619

La présente invention concerne le domaine des circuits de génération de tension, en particulier les régulateurs de tension, par exemple inclus dans des circuits intégrés sous forme de puce électronique. Certaines puces possèdent des blocs analogiques et des blocs digitaux alimentés par des tensions respectives différentes, par exemple 2,5V pour les blocs analogiques et 1,2 V pour les blocs digitaux. On peut donc dans de tels cas utiliser une partie de la tension d'alimentation des blocs analogiques pour alimenter un bloc numérique ou analogique, ce qui permet par exemple de ne pas avoir besoin de mettre en œuvre d'alimentation à découpage. A cet effet, on utilise des générateurs de tension, en l'espèce des régulateurs, qui doivent être capables de répondre aux pics de consommation correspondant aux appels de courants des blocs digitaux lorsque ceux-ci entrent en fonctionnement. Un régulateur classique R est illustré figure la. Il comprend un amplificateur rebouclé, et un transistor PMOS de puissance en sortie (Pout) qui alimente une capacité externe (Cext) servant de ballast de charge vers la charge numériquee ou analogique (DL). Lorsque le bloc numérique ou analogique est en fonctionnement, cela implique un pic de consommation de courant sur la ligne de sortie (Vout). Si le pic est faible, le courant est fourni par la capacité externe (Cext), et si le pic est fort ou dure un certain temps, la capacité externe se décharge et la boucle (1) permet d'agir depuis la sortie (Vout) sur l'entrée de l'amplificateur de sorte à baisser la grille du transistor de puissance (Pout) pour rétablir le courant. Toutefois, un tel circuit est relativement lent, et incompatible avec les besoins actuels de temps de réponse, de l'ordre de quelques nanosecondes. En outre, la quantité de charges à apporter peut poser problème. En effet, alors que le courant de repos sur la ligne de sortie (Vout) est par exemple de 1mA, la demande en courant d'une charge peut être de 100mA. Un circuit tel que représenté à la figure la ne permet pas de répondre à une telle demande car il n'est pas assez rapide. De tels circuits ne sont pas adaptés pour des réponses en impulsions, dites impulsionnelles, c'est à dire que leur tension de sortie (Vaut) risque de chuter sous un appel de courant du bloc numérique ou analogique. Pour pallier à ces inconvénients, la demanderesse a déposé la demande FR 2881236, illustrée à la figure lb, pour la fabrication de tensions de référence pour l'alimentation de convertisseur analogique / numérique. Dans cette configuration, la sortie est rebouclée en entrée de l'amplificateur, de sorte à asservir la sortie (Vaut) à la tension de référence (Vref) sous forme de boucle lente, mentionnée ci avant. En outre, la demande FR 2881236 propose une boucle rapide 1', en étage de sortie de l'amplificateur. Sur la figure lb, l'étage de sortie est agrandi en pointillés. La grille du transistor PMOS M2 est fixée, par la boucle lente, et permet de réaliser un noeud de basse impédance. Lorsque le bloc numérique ou analogique demande du courant, la source du transistor PMOS M2 diminue, et celui-ci se coupe. Or, la source de courant IO étant constante (de même que la source de courant Il) plus de courant circule à travers le transistor NMOS M3 (dont la grille est à une tension fixe VB) agissant sur la grille du transistor de puissance PMOS Ml, dont la tension de grille diminue rapidement, ce qui permet d'alimenter le bloc numérique ou analogique. L'ensemble des transistors Ml, M2, et M3 définit la boucle rapide 2 qui permet des temps de réponse très rapides, typiquement de l'ordre de quelques nanosecondes entre la demande de courant de charge (IL) et la réponse du transistor de puissance M1. Certes adapté à l'alimentation d'un convertisseur analogique / numérique, dont la consommation est de l'ordre de grandeur d'un facteur de 20 à 50 (quelques dizaines de microampères), le circuit décrit ci-dessus n'est cependant pas optimal pour être mis en oeuvre pour un régulateur, dont la consommation est de l'ordre d'un facteur mille. En outre, la charge du bloc numérique ou analogique n'est pas toujours connue. La présente invention vise à remédier à ces 20 inconvénients. Selon un premier de ses objets, la présente invention concerne donc un circuit, en l'espèce un régulateur de tension, configuré pour fournir une tension de sortie en une borne de sortie susceptible d'être relié 25 à l'alimentation d'au moins un bloc numérique ou analogique susceptible de consommer un courant de charge, le régulateur comprenant un amplificateur et une boucle de régulation, dite boucle rapide, reliée à la sortie de l'amplificateur, ladite boucle de régulation comprenant : 30 un premier transistor PMOS connecté à une première borne d'application d'une tension d'alimentation d'entrée, un deuxième transistor PMOS, commandé par l'amplificateur, et monté en série avec le premier transistor PMOS, leur point milieu définissant la borne de sortie fournissant la tension de sortie, une première source d'un premier courant de polarisation de valeur fixe reliant ladite première borne d'alimentation à la grille du premier transistor, une deuxième source d'un deuxième courant de polarisation de valeur fixe reliant le deuxième transistor à la masse, et un troisième transistor NMOS reliant les deux sources de courant. L'invention est essentiellement caractérisée en ce que le régulateur comprend en outre des moyens pour modifier automatiquement au moins l'un des courants de polarisation en fonction du courant de charge. Selon un autre de ses objets, l'invention concerne une puce électronique comprenant au moins un régulateur selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure la illustre un circuit de génération d'une tension de référence selon l'art antérieur, - la figure lb illustre un autre circuit de génération d'une tension de référence selon l'art 30 antérieur, - la figure 2 illustre un régulateur de tension selon l'invention, - la figure 3 illustre la comparaison des marges de phase entre l'invention et un art antérieur. Les figures la et lb ont été déjà décrites. De même que pour la figure lb, l'invention, dans un mode de réalisation représenté à la figure 2, comprend un étage de sortie connecté en un noeud C d'un amplificateur 12. L'amplificateur 12 est connecté en entrée à une source de tension VBG (bandgap) pour piloter le transistor PMOS P1. De même que sur la figure lb, l'invention comprend une boucle rapide comprenant un premier transistor PMOS Mpow, dit transistor de puissance, connecté à une première borne 2 d'application d'une tension d'alimentation d'entrée Vin, un deuxième transistor PMOS Pl, commandé par l'amplificateur 12, et monté en série avec le premier transistor PMOS Mpow, leur point milieu définissant la borne S de sortie fournissant la tension de sortie Vout. La boucle rapide comprend en outre un troisième transistor NMOS NCAS reliant deux sources de courant Ib, 2Ib, telles que la première source d'un premier courant de polarisation Ib de valeur fixe relie ladite première borne d'alimentation 2 à la grille du premier transistor Mpow, et la deuxième source d'un deuxième courant de polarisation 2Ib de valeur fixe relie le deuxième transistor P1 à la masse 3. De même que sur la figure lb, l'invention comprend aussi une boucle lente. C'est-à-dire que le noeud de sortie S à la tension de sortie Vout est rebouclé sur la deuxième entrée de l'amplificateur 12. Ainsi, lorsque le bloc numérique ou analogique demande du courant, l'amplificateur tend à égaliser ses deux entrées en agissant sur la grille du transistor Pl. Ainsi, Vout = VBG au gain de l'amplificateur près. Et la variation de la tension grille-source Vgs du transistor de puissance Mpow permet de générer une variation de courant du courant de puissance Ipow, donc du courant de charge IL. Comme vu précédemment, lors d'un pic de courant de charge, la boucle rapide réagit alors que la boucle lente ne réagit pas. Avantageusement, la boucle rapide comprenant les transistors Mpow, Pl et NCAS, comprend en outre un condensateur de dérivation Cbyp en parallèle avec le deuxième transistor PMOS Pl, permettant d'agir directement sur la source du transistor NCAS lorsque la tension de sortie chute rapidement (appel de courant de charge). Or la grille du transistor NCAS est à une tension de référence fixe VCAS, donc lorsque la tension à sa source diminue, celui-ci tire fortement la tension à la grille du transistor de puissance Mpow, ce qui permet de ne traverser que deux transistors (Mpow, NCAS) dans la boucle rapide. Un bloc numérique ou analogique peut réaliser différentes fonctions et être constitué de plus ou moins de composants, eux-mêmes plus ou moins complexes, c'est-à-dire consommateurs de courant, dont la capacité de charge CL à alimenter peut varier de quelques pF à quelques nF. La présente invention vise à fournir un régulateur de tension quel que soit la nature du bloc numérique ou analogique, c'est-à-dire être capable de répondre au facteur de l'ordre de mille sur la charge capacitive CL. En outre, il peut exister également un facteur de l'ordre de mille sur le courant de charge IL entre un état de repos et un état de consommation. Or le courant dans le circuit selon l'invention est fixé par les sources de courants de polarisation lb, 2Ib. Et pour un courant de polarisation Ib donné, la boucle rapide (figure lb ou figure 2) est capable de fournir de l'ordre de 20*Ib à 50*Ib. En revanche, si le courant de charge IL est trop 10 important, le transistor NCAS est pincé et la boucle rapide ne fonctionne plus. La présente invention permet de résoudre ce problème en adaptant le courant de la boucle rapide Ipow, Ib, 2Ib au courant de charge IL, de manière auto 15 adaptative. La consommation de courant d'un bloc numérique ou analogique correspond à un courant moyen autour duquel se situent un certain nombre de pics. La présente invention permet au régulateur de s'adapter au courant de charge 20 moyen, de sorte à pouvoir fournir les pics de consommation. A cet effet, une partie Icpy du courant Ipow du transistor de puissance Mpow est copiée dans le transistor Mcl. Le dimensionnement des transistors est 25 avantageusement tel que Icpy est sensiblement égal à une fraction donnée de Ipow, en l'espèce 1%. Le transistor Mtn est en parallèle de la deuxième source du deuxième courant de polarisation 2Ib, et permet d'augmenter celui-ci. 30 De la même manière, le transistor Mtp est en parallèle de la première source du premier courant de polarisation Ib, et permet d'augmenter celui-ci. Le courant copié par Mtp est directement ajouté en parallèle à Ib. Les transistors Mtp et Mcl sont montés en miroir de courant par rapport au transistor de puissance Mpow, dont ils copient chacun 1% du courant Ipow grâce à leur dimensionnement proportionnel à celui du transistor de puissance Mpow. Le courant copié par Mcl entre dans un miroir de courant unitaire (IMtn=IMc2) formé par Mc2 et Mtn. Ainsi, le courant ajouté par le transistor Mtn en parallèle à la source 2Ib est égal à celui initialement copié par Mcl, soit 1% de Ipow. Grâce à ces caractéristiques, tout courant consommé par le bloc numérique ou analogique permet de modifier la polarisation de la boucle rapide, tout en conservant un rendement quasi constant, en l'espèce de l'ordre de 99%, quelle que soit la charge du bloc numérique ou analogique, par rajout des courants Icpy aux sources de courant fixe Ib, 2Ib. En effet, en l'absence de courant de charge IL, le courant de puissance Ipow est égal au courant de polarisation Ib, de même pour le courant traversant le transistor Pi. Quand le bloc numérique ou analogique consomme du courant, la tension de grille du transistor de puissance Mpow diminue et celui-ci fournit alors un courant supérieur au courant de polarisation Ib. La mesure du courant de puissance Ipow, par la copie effectuée par les transistors Mtp et Mcl (et en miroir par les transistors Mtn et Mc2) permet de rajouter du courant en parallèle aux sources Ib, 2Ib, de telle manière, par exemple, que la valeur du courant de copie Icpy soit dix fois plus grande que celle du courant de polarisation Ib. Le courant de copie Icpy est injecté en parallèle de la source Ib par le transistor Mtp et absorbé par le transistor Mtn en parallèle de la source 2Ib après une copie par les transistors Mcl et Mc2. Par l'augmentation des courants en parallèle de Ib et 2Ib, on augmente en même temps les transconductances de grille "glu" et la bande passante des transistors, donc le régulateur réagit plus vite et peut répondre à des impulsions de courant de charge beaucoup plus fortes. Avantageusement, le régulateur selon l'invention comprend en outre un filtre passe-bas Rcpy, Ccpy en parallèle avec la première source de courant Ib. Ainsi le noeud Cp suit le noeud G correspondant à la grille du transistor de puissance Mpow grâce audit filtre passe-bas, et les transistors Mtp et Mcl ne réagissent qu'aux basses fréquences. Le filtre passe-bas permet que les moyens Mtp, Mcl, Mtn, Mc2, Rcpy, Ccpy pour modifier automatiquement au moins l'un des courants de polarisation Ib, 2Ib en fonction du courant de charge IL ne répondent pas immédiatement à un pic de consommation du bloc numérique ou analogique, et que seul le transistor de puissance Mpow le fasse. Les moyens pour modifier automatiquement au moins l'un des courants de polarisation sont en effet configurés pour augmenter le courant continu dans la boucle rapide, et ne sont pas adaptés à répondre à des impulsions de consommation du bloc numérique ou analogique. Grâce à l'augmentation des courants de polarisation, la grille du transistor de puissance Mpow est commandée plus rapidement par le transistor NCAS. Le transistor de puissance Mpow réagit ainsi plus rapidement aux variations du courant de charge IL. Grâce à l'invention, un même régulateur peut être utilisé pour un bloc numérique ou analogique inconnu, grâce à la copie faite du courant de charge IL permettant une mesure de celui-ci. Les courants de polarisation peuvent ainsi être réglés automatiquement à une valeur optimale. Avantageusement, grâce à l'invention, la boucle rapide reste stable sur une large gamme de courants de charge. En outre, le courant de repos (en l'absence de courant de charge) reste faible et permet de conserver un bon rendement. Comme représenté à la figure 3, illustrant la marge de phase PHASE MARGIN2 du mode de réalisation du régulateur selon l'invention représenté à la figure 2, et de la marge de phase PHASE_MARGIN_1 de l'art antérieur représenté à la figure lb, en fonction du courant de charge, selon une échelle logarithmique en mA, le régulateur selon l'invention reste stable sur variation de la charge IL de trois à quatre décades, alors que selon l'art antérieur il ne reste stable que sur une à deux décades. En outre, selon l'invention, plus le courant de charge augmente, plus la marge de phase augmente, alors que selon l'art antérieur, plus le courant de charge augmente, plus la marge de phase diminue. Au regard de la stabilité, la boucle définie les transistors Mpow, NCAS et le condensateur Cbyp peut devenir instable si le courant consommé par le bloc numérique ou analogique est trop fort. En revanche, la boucle définie par les moyens pour modifier automatiquement au moins l'un des courants de polarisation en fonction du courant de charge (Mtp, Mcl, Rcpy, Ccpy, Mtn, Mc2) est stable de par construction, grâce au filtre passe-bas (Rcpy, Ccpy). Et avantageusement, cette boucle permet de stabiliser la boucle définie les transistors Mpow, NCAS et le condensateur Cbyp grâce à l'augmentation des courants de polarisation Ib et 21b. Dans une puce électronique comprenant un régulateur selon l'invention, une pluralité de boucles rapides de régulation peuvent être mises en parallèle à la sortie de l'amplificateur 12 pour alimenter un même bloc numérique ou analogique ou plusieurs blocs digitaux ou analogiques. En l'espèce, chaque bloc numérique ou analogique est entouré d'une boucle rapide de régulation. Ainsi lorsqu'un bloc numérique ou analogique demande du courant, la source est au plus près pour répondre à cette demande.25 REVENDICATIONS 1. Régulateur de tension configuré pour fournir une tension de sortie (Vout) en une borne de sortie (S) susceptible d'être relié à l'alimentation d'au moins un bloc numérique ou analogique susceptible de consommer un courant de charge (IL), le régulateur comprenant un amplificateur (12) et une boucle de régulation reliée à la sortie de l'amplificateur (12), ladite boucle de régulation comprenant un premier transistor PMOS (Mpow) connecté à une première borne (2) d'application d'une tension d'alimentation d'entrée (Vin), un deuxième transistor PMOS (Pl), commandé par l'amplificateur (12), et monté en série avec le premier transistor PMOS (Mpow), leur point milieu définissant la borne (S) de sortie fournissant la tension de sortie (Vout), une première source d'un premier courant de polarisation (Ib) de valeur fixe reliant ladite première borne d'alimentation (2) à la grille du premier transistor (Mpow), une deuxième source d'un deuxième courant de polarisation (2Ib) de valeur fixe reliant le deuxième transistor (Pl) à la masse (3), et un troisième transistor NMOS (NCAS) reliant les deux sources de courant (Ib, 2Ib), caractérisé en ce que le régulateur comprend en outre des moyens pour modifier automatiquement au moins l'un des courants de polarisation (Ib, 2Ib) en fonction du courant de charge (IL). 2. Régulateur selon la revendication 1, dans lequel les moyens pour modifier automatiquement au moins l'un des courants de polarisation (Ib, 2Ib) comprennent des moyens pour copier une partie du courant traversant le premier transistor PMOS (Mpow). 3. Régulateur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel les moyens pour modifier le premier courant de polarisation (Ib) comprennent un transistor PMOS (Mtp) en parallèle avec la première source de courant (Ib) et dont la grille est reliée à celle-ci. 4. Régulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens pour modifier le deuxième courant de polarisation (2Ib) comprennent un transistor NMOS (Mtn) en parallèle avec la deuxième source de courant (2Ib) et dont la grille est reliée à la grille d'un transistor NMOS(Mc2) monté en série avec un transistor PMOS (Mcl) dont la grille est reliée à la première source de courant (Ib). 5. Régulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un filtre passe-bas (Rcpy, Ccpy) en parallèle avec la première source de courant (Ib). 6. Régulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un condensateur de dérivation (Cbyp) en parallèle avec le deuxième transistor PMOS (Pl). 7. Puce électronique comprenant au moins un régulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, et au moins un bloc numérique ou analogique relié au dit régulateur. 5 8. Puce électronique selon la revendication 7, dans laquelle une pluralité de boucles de régulation sont mises en parallèle à la sortie de l'amplificateur {12) pour alimenter un même bloc numérique ou analogique. 9. Puce électronique selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, comprenant un amplificateur (12) unique pour alimenter une pluralité de blocs digitaux ou analogiques.