Brevet FR2955720A1 — publié le 20110729

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION 15 Avec cette l'invention, les circuits présentés se rapportent généralement aux circuits implémentés sur une seule puce (dites Embedded) de circuits mixtes (digital et analogique), dans les nouvelles technologies (nano technologies) CMOS, et dans les technologies CMOS plus anciennes (et peu coûteuses). Plus spécifiquement mais non exclusivement, la révélation actuelle se rapporte aux circuits audio, power management et batterie management sur une seule puce (dite Embedded audio, power et batterie management), et la description qui suit fait référence à ces 20 champs d'application pour des facilités d'illustration uniquement. Cette invention se rapporte généralement aux amplificateurs audio de type Class-D (Classe D), les amplificateurs audio de type class-AB, les amplificateurs audio, les amplificateurs pour des circuits de power management (gestion de la puissance), les amplificateurs pour des circuits de batterie management (gestion de la charge et décharge de batteries). 25 Le premier étage de l'amplificateur différentiel ne peut généralement pas fonctionner avec une tension de mode commun d'entrée trop élevée. Une solution généralement utilisée consiste à diminuer cette tension de mode commun d'entrée en augmentant le gain de l'amplificateur, ce qui dégrade ses performances en termes de bruit. La nouvelle méthode présentée permet de diminuer cette tension de mode commun d'entrée sans augmenter le gain de l'amplificateur, et permet ainsi d'optimiser ses performances. Cette méthode peut aussi être utilisée pour limiter la 30 tension maximale en entrée du premier étage de 1 `amplificateur différentiel, dans le cas d'utilisation de technologies à oxides mince de grille (par exemple, dans des technologies dites drain étendu ou «drain extended »), sans avoir de stress de tension sur les différents composants du circuit. Et l'utilisation de transistors à oxides mince de grille permet aussi d'augmenter la bande passante de l'amplificateur différentiel, pour réduire par exemple les erreurs de non linéarités (dite THD, distorsion harmonique totale) d'un amplificateur audio. 35 ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Cette invention est dans le domaine des amplificateurs audio, des amplificateurs pour des circuits de power management (gestion de la puissance), et des amplificateurs pour des circuits de batterie management (gestion de la charge et décharge de batteries). 2955720 -3- La figure 3 (FIG. 3) montre un schéma électrique d'un amplificateur différentiel de tension, avec atténuation de la tension de mode commun d'entrée du premier étage de l'amplificateur. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Des circuits sont développés pour des amplificateurs différentiels de tensions dans les applications audio, power management et batterie management, dans des technologies CMOS (signifiant : Complementary Metal Oxyde Semiconductor). La nouvelle méthode permet de réaliser un amplificateur différentiel de tension dans une technologie CMOS, avec une atténuation du mode commun d'entrée du premier étage de l'amplificateur différentiel, sans augmenter le gain de l'amplificateur, et permet ainsi d'optimiser les performances de l'amplificateur (par exemple, pour le bruit). Cette méthode peut aussi être utilisée pour limiter la tension maximale en entrée du premier étage de l'amplificateur différentiel, dans le cas d'utilisation de technologies à oxides mince de grille (par exemple, dans des technologies dites drain étendu ou «drain extended »), sans avoir de stress de tension sur les différents composants du circuit. Et l'utilisation de transistors à oxides mince de grille permet aussi d'augmenter la bande passante de l'amplificateur différentiel, pour réduire par exemple les erreurs de non linéarités (dite THD, distorsion harmonique totale) d'un amplificateur audio. Ceux qui ont de la compétence dans ce domaine à l'état de l'art se rendront compte que la description détaillée qui suit de la présente invention est d'illustration seulement et n'est pas limitative de quelque façon. D'autres modes de réalisation de la présente invention se suggéreront aisément à de telles personnes bénéficiant des avantages de cette invention. Les références détaillent des réalisations de la présente invention, comme illustré dans les schémas joints. Le cas échéant, les mêmes indicateurs de référence seront employés dans tous les schémas et dans la description détaillée qui suit, pour se rapporter à la même chose ou aux pièces semblables. Dans un intérêt de clarté, tous les dispositifs courants des réalisations décrites ci-dessus ne sont pas montrés et décrits. Bien entendu, dans le développement de telles implémentations, de nombreuses décisions spécifiques devront être 25 prise selon l'application et les contraintes liées au marché, étant donné que ces buts spécifiques varieront d'une exécution à l'autre et d'un réalisateur à l'autre. D'ailleurs, un tel effort de développement pourrait être complexe et long, mais néanmoins serait une entreprise courante de ceux qui ont de la compétence dans ce domaine à l'état de l'art. En se tournant maintenant vers les figures : 30 • La figure 1 (FIG. 1) montre un schéma électrique classique d'amplificateur audio de type Class-D, sans atténuation de la tension de mode commun d'entrée du premier intégrateur. Le circuit comprends deux résistances d'entrée Rl (1), deux résistances de contre-réaction R2 (2), un premier intégrateur (3) (4), un circuit de contrôle analogique (5), un circuit de contrôle digital (6), deux étages de puissance 35 (« half bridge ») (7) (8), et un haut parleur (« speaker ») (9). Le premier intégrateur est constitué d'un amplificateur de tension différentiel (4) et de deux capacités Cl (3). Le circuit de contrôle analogique (5) est la partie contrôleur analogique de l'amplificateur class-D, qui dépend de l'architecture du class-D, et peut inclure par exemple et entres autres, un générateur de signal en forme de rampe (pour les architectures de type PWM), des intégrateurs (continus pour les architectures de type PWM, ou de type 40 capacités commutés pour les architectures de type sigma delta). -4- Le circuit de contrôle digital (6) est la partie contrôleur digital de l'amplificateur class-D, qui dépend de l'architecture du class-D, et peut inclure par exemple et entres autres, des comparateurs, des circuits digitaux, des drivers des grilles des transistors des étages de puissance (« half bridge ») (7) (8), et un limiteur de courant des transistors des étages de puissance (« half bridge ») (7) (8). L'élément nommé "speaker" (9) est la charge de l'amplificateur (par exemple, un haut-parleur d'impédance 4 ohm ou 8 ohm). Le gain de l'amplificateur audio class-D est défini par le ratio des résistances RI et R2 : Voutp ù Voum R2 gain audio = = ù=G Vinp ù Vinm R1 La tension de mode commun d'entrée du premier intégrateur (4) de l'amplificateur audio de type class-D est défraie 10 par les deux tensions d'entrée VAp et VAm. La tension inmax est la tension maximale sur les entrée VINP et VINM de l'amplificateur. Le tension maximale incm_max de VAp et VAm peut être calculée par l'équation suivante : in max vdd R1 + R2 = (G * inmax)+vdd incm max = 1 + 1 G+1 R1 R2 Où vdd est la tension d'alimentation des étages de puissance (« half bridge ») (7) (8), qui est aussi le niveau des tensions de sortie VOUTP et VOUTM (signaux PDM ou PWM) de l'amplificateur audio. 15 La dérivée de incm max par rapport au gain G de l'amplificateur audio est : d(incm _max) = in maxù vdd 20 a pour effet d'augmenter le bruit en sortie de l'amplificateur audio. • La figure 2 (FIG. 2) montre un schéma électrique du nouvel amplificateur audio de type Class-D, avec atténuation de la tension de mode commun d'entrée du premier intégrateur. Le circuit comprends deux résistances d'entrée R1 (1), deux résistances de contre-réaction R2 (2), deux résistance 25 R3 (10) de diminution de la tension de mode commun d'entrée du premier intégrateur (3) (4), un premier intégrateur (3) (4), un circuit de contrôle analogique (5), un circuit de contrôle digital (6), deux étages de puissance (« half bridge ») (7) (8), et un haut parleur (« speaker ») (9). Le premier intégrateur est constitué d'un amplificateur de tension différentiel (4) et de deux capacités Cl (3). Le circuit de contrôle analogique (5) est la partie contrôleur analogique de l'amplificateur class-D, qui dépend de 30 l'architecture du class-D, et peut inclure par exemple et entres autres, un générateur de signal en forme de rampe (pour les architectures de type PWM), des intégrateurs (continus pour les architectures de type PWM, ou de type capacités commutés pour les architectures de type sigma delta). Le circuit de contrôle digital (6) est la partie contrôleur digital de l'amplificateur class-D, qui dépend de l'architecture du class-D, et peut inclure par exemple et entres autres, des comparateurs, des circuits digitaux, des 35 drivers des grilles des transistors des étages de puissance (« half bridge ») (7) (8), et un limiteur de courant des transistors des étages de puissance (« half bridge ») (7) (8). -5- L'élément nommé "speaker" (9) est la charge de l'amplificateur (par exemple, un haut-parleur d'impédance 4 ohm ou 8 ohm). Le gain de l'amplificateur audio class-D est défmi par le ratio des résistances Rl et R2 : Voutp - Voum R2 gain audio = = ù=G _ R1 Vinp -Vinm Ainsi, les résistances R3 (10) ne modifient pas le gain G de l'amplificateur audio, par rapport à l'architecture classique de la figure 1 (FIG 1). La tension de mode commun d'entrée du premier intégrateur (4) de l'amplificateur audio de type class-D est défraie par les deux tensions d'entrée VAp et VAm. Le tension maximale incm_max de VAp et VAm peut être calculée par l'équation suivante : in max vdd Rl + R2 (G*inmax)+vdd incm _ max = 1 1 1 R2 RI+R2+R3 G+1+R3 Où vdd est la tension d'alimentation des étages de puissance (« half bridge ») (7) (8), qui est aussi le niveau des tensions de sortie VOUTP et VOUTM (signaux PDM ou PWM) de l'amplificateur audio. La tension inmax est la tension maximale sur les entrée VINP et VINM de l'amplificateur. Ainsi, la tension maximale incm_max de VAp et VAm est une fonction croissante de R3. Et cette nouvelle méthode 15 permet de diminuer la tension de mode commun d'entrée du premier intégrateur (4) de l'amplificateur audio de type class-D, en diminuant la valeur de la résistance R3 (10), sans augmenter et affecter le gain G de l'amplificateur audio. Ceci a pour effet de ne pas augmenter le bruit en sortie de l'amplificateur audio, et d'avoir plus de flexibilité sur le choix du gain G de l'amplificateur audio. D'autre part, grâce à cette nouvelle méthode, le premier intégrateur peut être alimenté par une tension d'alimentation 20 faible (différente de VDD), ce qui permet de concevoir ce circuit avec des transistors à oxyde mince de grille, et d'obtenir ainsi des bandes passantes d'intégrateurs (4) plus élevées afin de réduire les erreurs de non linéarités (dites THD, distorsion harmonique totale) de l'amplificateur audio. Enfin, cette technique de réduction de la tension de mode commun d'entrée du premier intégrateur (4) de l'amplificateur audio de type class-D permet de concevoir l'amplificateur audio dans des technologies avec oxides 25 minces de grille (par exemple, dans des technologies dites drain étendu ou «drain extended »), sans avoir de stress de tension sur les différents composants du circuit. • La figure 3 (FIG. 3) montre un schéma électrique d'un amplificateur différentiel de tension, avec atténuation de la tension de mode commun d'entrée du premier étage de l'amplificateur. 30 Le circuit comprends deux résistances d'entrée R1 (1), deux résistances de contre-réaction R2 (2), deux résistance R3 (10) de diminution de la tension de mode commun d'entrée du premier étage de l'amplificateur, un premier étage de l'amplificateur (1l), et les autres éventuels étages de l'amplificateur (12). Le gain de l'amplificateur différentiel de tension est défmi uniquement par le ratio des résistances R1 et R2 : gain amplificateur = Voutp - Voum = R2 = G Vinp - Vinm R1 35 Ainsi, les résistances R3 (10) ne modifient pas le gain G de l'amplificateur, par rapport à l'architecture classique sans résistance R3 (10) de diminution de la tension de mode commun d'entrée.10 -6- La tension de mode commun d'entrée du premier étage de l'amplificateur différentiel de tension est défmie par les deux tensions VAp et VAm. Le tension maximale incm_max de VAp et VAm peut être calculée par l'équation suivante : in max vdd R1 + R2 __ (G*inmax)+vdd 1 + 1 + 1 G+1+ R2 R1 R2 R3 R3 Où vdd est la tension d'alimentation de l'étage de sortie de l'amplificateur, qui est aussi le niveau maximal des tensions de sortie VOUTP et VOUTM de l'amplificateur. La tension inmax est la tension maximale sur les entrées VINP et VINM de l'amplificateur. Ainsi, la tension maximale incm_max de VAp et VAm est une fonction croissante de R3. Et cette nouvelle méthode permet de diminuer les tensions VAp et VAm de mode commun d'entrée du premier étage de l'amplificateur (11), en diminuant la valeur de la résistance R3 (10), sans augmenter et affecter le gain G de l'amplificateur. Ceci a pour effet, par exemple, de ne pas augmenter le bruit en sortie de l'amplificateur, et d'avoir plus de flexibilité sur le choix du gain G dé l'amplificateur. D'autre part, grâce à cette nouvelle méthode, le premier étage de l'amplificateur peut être alimenté par une tension d'alimentation faible (différente de VDD), ce qui permet de concevoir ce circuit avec des transistors à oxyde mince de grille, et d'obtenir ainsi des bandes passantes d'amplificateur plus élevées, afm de réduire par exemple les erreurs de non linéarités (dites THD, distorsion harmonique totale) des amplificateurs audio. Enfin, cette technique de réduction de la tension de mode commun d'entrée du premier étage de l'amplificateur permet de concevoir des amplificateurs dans des technologies avec oxides minces de grille (par exemple, dans des technologies dites drain étendu ou «drain extended »), sans avoir de stress de tension sur les différents composants du circuit. incm max = REVENDICATIONS1. Un circuit pour diminuer la tension de mode commun d'entrée du premier étage d'un amplificateur différentiel de 5 tension. 2. Le circuit, selon la revendication 1, est applicable pour tous les amplificateurs différentiels de tension dans les domaines audio, power management (gestion de la puissance) et batterie management (gestion de la charge et décharge de batteries). 3. Le circuit, selon la revendication 1, permet de diminuer la tension de mode commun d'entrée du premier étage de l'amplificateur, sans avoir à augmenter (ou modifier) le gain de l'amplificateur, ce qui permet entre autres de réduire le bruit en sortie de l'amplificateur. 15 4. Le circuit, selon la revendication 1, permet d'alimenter le premier étage de l'amplificateur par une tension d'alimentation faible, ce qui permet de concevoir ce circuit avec des transistors à oxyde mince de grille, et d'obtenir ainsi des bandes passantes d'amplificateurs plus élevées, afin de réduire par exemple les erreurs de non linéarités (dite THD, distorsion harmonique totale) des amplificateur audio. 20 5. Le circuit, selon la revendication 1, permet de concevoir des amplificateurs dans des technologies avec oxides minces de grille (par exemple, dans des technologies dites drain étendu ou «drain extended »), sans avoir de stress de tension sur les différents composants du circuit. Ceci permet, par exemple, d'implémenter ces amplificateurs sur une seule puce (dits circuits Embedded) de circuits mixtes (digital et analogique), dans les nouvelles technologies (nano technologies) CMOS, et dans les technologies CMOS plus anciennes (et peu coûteuses). 10 25