Brevet FR3013537A1 — publié le 20150522

B12843 - 13-T0-0403 1 COMMANDE DE CONDENSATEUR BST Domaine La présente description concerne de façon générale les circuits électroniques et, plus particulièrement, la commande de condensateurs dont la valeur est réglable par application d'une tension de polarisation. La présente description s'applique plus particulièrement à la commande de condensateur de type BST (Baryum - Strontium - Titane). Exposé de l'art antérieur Les condensateurs BST ont été développés essentiel-10 lement pour des applications radiofréquences, en particulier pour la téléphonie mobile. Disposer d'un condensateur dont la capacité est ajustable de façon analogique améliore de façon significative les performances en permettant d'adapter le dispositif comportant un tel condensateur à l'environnement 15 extérieur. Un condensateur BST se présente sous la forme d'un circuit intégré (on désigne également ce type de condensateur par condensateur intégré ajustable). La capacité d'un condensateur BST se règle par la valeur d'un potentiel continu 20 de polarisation qui lui est appliqué, généralement dans une plage allant de quelques volts à quelques dizaines de volts, typiquement entre 2 et 20 volts. B12843 - 13-T0-0403 2 La tension de polarisation d'un condensateur BST est généralement fournie par un circuit de commande dédié, réalisant une conversion numérique-analogique haute tension, c'est-à-dire convertissant un mot numérique de configuration (généralement un octet) en une tension analogique continue à appliquer au condensateur pour fixer sa capacité. Résumé Un mode de réalisation de la présente description vise à proposer un étage de sortie d'un circuit de commande pour 10 condensateur ajustable qui pallie tout ou partie des inconvénients des étages de sortie usuels. Un autre mode de réalisation vise à permettre une commutation rapide de la valeur de la capacité du condensateur. Un autre mode de réalisation vise une solution 15 paramétrable pour adapter le circuit de commande en fonction du type de condensateur. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un circuit de commande d'un condensateur de capacité réglable par polarisation, comportant un amplificateur de fourniture d'une tension 20 de polarisation continue, dont une contre-réaction est ralentie par une cellule résistive et capacitive. Selon un mode de réalisation, la cellule résistive et capacitive est dimensionnée en fonction d'une constante de temps du condensateur de capacité réglable. 25 Selon un mode de réalisation : une première borne de l'amplificateur reçoit une tension, fonction de la valeur souhaitée pour la capacité du condensateur réglable et conditionnant la valeur d'une tension de polarisation de ce condensateur de capacité réglable ; et 30 une deuxième borne de l'amplificateur est reliée, par l'intermédiaire d'un élément résistif à sa borne de sortie et, par l'intermédiaire de la cellule résistive et capacitive, à la masse. Selon un mode de réalisation, la cellule résistive et 35 capacitive comporte un réseau de capacités commutables. B12843 - 13-T0-0403 3 Un mode de réalisation prévoit également un système comportant : au moins un condensateur de capacité réglable ; et au moins un circuit de commande. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une représentation schématique d'un condensateur BST ; la figure 2 est un schéma électrique équivalent d'un condensateur de capacité réglable par polarisation ; les figures aA et 3B illustrent un exemple de réglage 15 de capacité d'un condensateur BST par son signal de polarisation ; la figure 4 représente un mode de réalisation d'un étage de sortie d'un circuit de commande d'un condensateur ajustable ; 20 les figures SA, 5B et 5C illustrent, sous forme de chronogrammes, le fonctionnement du circuit de la figure 4 ; la figure 6 est une représentation simplifiée d'un circuit de commande associé à des condensateurs BST ; la figure 7 représente une variante de réalisation 25 d'une cellule RC de l'étage de sortie de la figure 4 ; et la figure 8 est un exemple d'application d'un condensateur BST. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes 30 références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation qui vont être décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, la réalisation d'un condensateur BST ainsi que des autres parties du circuit de commande n'ont pas été 35 détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles B12843 - 13-T0-0403 4 avec les réalisations usuelles de condensateurs réglables par application d'une tension de polarisation (par exemple des condensateurs BST) et du reste du circuit de commande. De plus, les différentes applications possibles d'un condensateur BST n'ont pas non plus été détaillées, les modes de réalisation décrits étant, là encore, compatibles avec les applications usuelles. Dans la description qui suit, les expressions approximativement, environ et de l'ordre de signifient à 10% près. La figure 1 est une représentation schématique d'un circuit intégré 1 formant un condensateur BST. Ce circuit comporte généralement au moins trois bornes 12, 14 et 16. En pratique, pour des questions de réalisation industrielle, le boîtier du circuit intégré peut comporter d'autres bornes 18 non destinées à être connectées. Les bornes 14 et 16 définissent des bornes correspondant aux électrodes du condensateur C destinées à être connectées à l'application radiofréquence. En outre, l'une des bornes 14 et 16 est connectée à masse. Selon l'application, cette connexion est soit directe, soit (cas d'un condensateur utilisé en série dans la chaîne radiofréquence) par l'intermédiaire d'un élément inductif. La borne 12 définit une borne d'application d'un potentiel de polarisation Vbias fixant la valeur de la capacité du condensateur C. D'un point de vue électrique, ce potentiel de polarisation est appliqué par l'intermédiaire d'une résistance R. La figure 2 représente le schéma électrique équivalent du condensateur BST 1. La résistance d'application de la tension de polarisation Vbias constitue, avec le condensateur C, un circuit RC série entre la borne 12 d'application de la tension Vbias et la masse M. Les figures m et 3B sont des chronogrammes illustrant le réglage de la valeur de la capacité du condensateur C. La figure 3A illustre un exemple d'allure du signal Vbias appliqué à la borne 12. La figure 3B illustre l'évolution correspondante de la capacité CpTic du condensateur C. B12843 - 13-T0-0403 Au repos, la tension Vbias est nulle et la capacité CPTIC présente une valeur maximale CmAx. A un instant tO, le circuit de commande externe applique une tension VTG conditionnant la valeur cible CTG de la capacité CpTic. En 5 pratique, le circuit de commande constitué d'un convertisseur numérique-analogique contient une table de correspondance entre un mot numérique de consigne fourni par l'application et un potentiel correspondant à appliquer à la borne 12 pour atteindre la valeur cible CTG. L'application du potentiel VTG à l'instant 10 tO se traduit par une diminution de la capacité CpTic jusqu'à atteindre la valeur cible à un instant tl. L'intervalle entre les instants tO et tl dépend de la constante de temps de la cellule RC formée par le condensateur BST. Cette constante de temps est typiquement de plusieurs 15 dizaines de microsecondes, de l'ordre de 20 à 40 microsecondes et est liée à la structure même du condensateur BST. Avec une constante de temps de l'ordre de 30 microsecondes, l'application d'un signal de polarisation Vbias tel qu'illustré par la figure m. conduit, en pratique, à un intervalle entre les instants tO 20 et tl pouvant atteindre la centaine de microsecondes. Il serait souhaitable de réduire cette durée. En effet, cet intervalle de temps entre l'instant tO d'application du signal de polarisation et l'instant tl, où le condensateur BST atteint la valeur souhaitée, conditionne le temps nécessaire pour que 25 l'application soit fonctionnelle. Le même phénomène se produit lors d'un changement de valeur du condensateur par modification du niveau de la tension Vbias ou lorsque le condensateur 1 n'a plus besoin d'être utilisé par l'application, par exemple suite à un passage en 30 mode veille. Pour un changement de valeur (non représenté), le signal Vbias est commuté à une valeur cible VTG différente, ce qui engendre une capacité CpTic différente. Pour une extinction du condensateur, le circuit de commande annule la tension Vbias (instant t2) et la capacité CpTic retrouve alors sa valeur 35 maximale de repos à un instant t3. Là encore, l'intervalle entre B12843 - 13-T0-0403 6 les instants t2 et t3 est lié à la constante de temps de la cellule RC constituée par la capacité. On a pu penser provoquer, à l'instant tO ou à l'instant t3, une surtension à un niveau excédant le niveau 5 cible VTG afin d'accélérer la polarisation du condensateur, en jouant sur la consigne numérique d'entrée du circuit de commande. Toutefois, cela peut conduire, lors d'un changement de valeur de la capacité, à des surtensions trop longues qui risquent d'excéder une plage de variation autorisée par 10 l'application autour des valeurs de capacité souhaitées. Cela nécessite par ailleurs un contrôle précis et fréquent de la consigne numérique, impliquant de nombreux échanges entre le circuit de commande et le circuit lui fournissant la consigne numérique. 15 La figure 4 est un schéma électrique d'un mode de réalisation d'un étage de sortie d'un circuit de commande 2 (dont le reste n'est pas représenté en figure 2). Cet étage de sortie fournit, sur une borne 22 de sortie du circuit de commande, le signal de polarisation Vbias. La borne 22 est donc, 20 dans l'application, connectée à la borne 12 du circuit intégré 1, symbolisée en figure 4 par la cellule RC équivalente. L'étage de sortie est constitué d'un amplificateur 3, haute tension (par rapport à une basse tension d'alimentation des circuits numériques), dont une première entrée (par exemple 25 non inverseuse (+)) reçoit, par l'intermédiaire d'une résistance R41, une tension de commande Vp issue de la conversion numérique-analogique du mot de consigne. Une résistance R42 relie par ailleurs la borne non inverseuse à la masse. La sortie de l'amplificateur 3 est rebouclée sur son entrée, par exemple 30 inverseuse (-), par une résistance R43. Par ailleurs, cette entrée inverseuse est reliée, à la masse, par une cellule RC série constituée d'une résistance R5 en série avec un élément capacitif C5, une résistance additionnelle R44 étant optionnellement connectée en parallèle sur cette cellule R5C5. B12843 - 13-T0-0403 7 Le rôle de la cellule R5C5 est de ralentir la contre-réaction au niveau de l'amplificateur 3. Ainsi, on provoque un pic de tension (positif ou négatif selon le sens de variation de la tension Vp) qui s'amortit en un temps dépendant de la constante de temps fixée par la cellule R5C5. En choisissant les valeurs des composantes R5 et C5 pour que la constante de temps R5C5 corresponde approximativement à la constante de temps RC du condensateur 1, on réduit l'intervalle de temps entre les instants d'application de la tension de polarisation et d'atteinte de la valeur cible de capacité. On tire ici profit du fait que la constante de temps RC du condensateur 1 (figure 2) est approximativement la même pour un type de condensateur BST donné. Par conséquent, on peut fixer les valeurs de la résistance R5 et du condensateur C5 en fonction de cette valeur. Les figures SA, 5B et 5C illustrent le fonctionnement du circuit de la figure 4. La figure SA représente un exemple d'allure du signal Vp fourni par la conversion numérique analogique du circuit de commande sur la borne d'entrée 24 de l'étage de sortie 2. La figure 5B illustre correspondante de la tension de sortie Vbias. La illustre l'allure correspondante de la capacité condensateur BST. On suppose qu'à un instant tO, le signal Vp commute d'une valeur nulle à une valeur VpTG fonction de la valeur cible VTG à atteindre au niveau du signal Vbias. La tension Vp est une basse tension par rapport à la tension Vbias, c'est-à-dire qu'elle évolue dans la plage d'alimentation des circuits numériques du circuit de commande, typiquement de quelques volts, voire moins (par exemple de l'ordre de 1,8 volts). La tension Vbias est une tension relativement haute, en ce sens qu'elle prend des valeurs requises pour la programmation du condensateur BST, qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de volts. La tension d'alimentation de l'amplificateur 3 est l'allure figure 5C CPTIC du B12843 - 13-T0-0403 8 choisie en fonction de la tension maximale requise pour la programmation du condensateur 1, par exemple de l'ordre de la vingtaine de volts. En quelque sorte, la cellule R5C5 trompe l'ampli-5 ficateur 3 en retardant la croissance du potentiel de sa borne négative de contre-réaction par rapport à la montée du niveau de sa borne 22 de sortie. Cela provoque donc une surtension à l'instant tO qui s'amortit jusqu'à un instant t'l auquel la tension Vbias redescend au niveau VTG de façon stable. Côté 10 capacité CpTic, sa valeur descend de la valeur CmAx à la valeur CTG entre les instants tO et t'l. Grâce au dimensionnement de la cellule R5C5, on arrive à ce que l'intervalle entre les instants tO et t'l correspondent approximativement à la constante de temps de la cellule RC du 15 condensateur 1. C'est en particulier le cas si la cellule R5C5 est bien dimensionnée par rapport à la constante de temps du condensateur 1. A un instant t2 où l'on souhaite que la capacité CpTic revienne à son niveau de repos, le signal vp est annulé. On 20 assiste alors à un pic de tension négatif à cet instant t2 et ce pic s'amorti jusqu'à un instant t'3 où la capacité CpTic retrouve la valeur CmAx. Pour un changement de valeur (non représenté), de la capacité CpTic, un fonctionnement similaire se produit avec un 25 pic de tension positif ou négatif selon que l'on diminue ou augmente la valeur CpTic. Comme il ressort de la figure 5C, les instants t'l et t'3 sont antérieurs aux instants tl et t3 du fonctionnement usuel. 30 La figure 6 est une représentation schématique d'un circuit de commande 2 sous la forme d'un convertisseur numérique-analogique haute tension intégré. Deux tensions, respectivement d'alimentation numérique Vdig (par exemple, 1,8 volts) et d'alimentation analogique Vbat (par exemple 3,6 volts) 35 sont appliquées à des bornes Vdig et Avdd du circuit 2. Un B12843 - 13-T0-0403 9 élément de filtrage Cdig peut être connecté entre la borne Vdig et la masse. La consigne numérique (mot de données) provient d'autres circuits non représentés de l'application et est, dans cet exemple, fournie par un bus série SPI de trois conducteurs respectivement d'horloge, de données et de synchronisation reliés à des bornes CLK, Data et CS du circuit 2. Une borne IND BOOST reçoit la tension Vbat par l'intermédiaire d'un élément inductif Lboost et un condensateur Cboost est connecté en parallèle sur la tension Vbat. Le rôle de ce montage est d'alimenter un étage élévateur de tension générant la tension requise pour commander les condensateurs 1 et 1'. Cette haute tension est appliquée sur la borne VHV, pour alimenter un étage élévateur de tension générant l'alimentation requise pour contrôler le condensateur. Une résistance R60 relie une borne Rbias à la masse et un condensateur Chv relie une borne VHV (recevant la haute tension générée par l'étage élévateur) à la masse. Ces éléments usuels constituent des éléments de polarisation du circuit 2. D'autres bornes de ce circuit sont susceptibles d'être par ailleurs connectées à la masse. La représentation de la figure 6 est un exemple arbitraire et d'autres circuits de commande peuvent s'appliquer aux modes de réalisation décrits. Dans cet exemple, le circuit 2 comporte deux bornes de sortie OUM et OUTB destinées à commander deux condensateurs BST 1 et 1' du type décrit précédemment. Dans cet exemple, on considère que la borne 16 de chaque condensateur 1, 1', constitue une borne RFin d'entrée du signal radiofréquence tandis que la borne 14 constitue une borne de sortie RFout de ce signal. Toutefois, un condensateur 1 est symétrique et la connexion de ces bornes dépend de l'application. La figure 7 illustre une variante de réalisation de la cellule R5C5 de la figure 4, selon laquelle le condensateur C5 est constitué d'un réseau de condensateurs commutables C51, C52, C53, C5n, chacun connecté, par exemple en série, avec un interrupteur K1, K2, K3, Kn le reliant à la résistance R5. Les B12843 - 13-T0-0403 10 interrupteurs K1 à Kn sont commandés par la partie numérique du circuit 2 pour fixer la valeur de la capacité du condensateur C5. Une telle variante permet d'adapter le circuit de commande 2 et plus particulièrement son étage de sortie à différents types de condensateurs BST présentant des constantes de temps nominales différentes. Selon une autre variante non représentée et combinable avec la précédente, on pourra utiliser des résistances R5 commutables. La figure 8 illustre un exemple d'application d'un condensateur BST 1. Dans cet exemple, on suppose que ce condensateur 1 participe à l'accord d'une antenne 7 destinée à recevoir des signaux radiofréquences d'un circuit 8 non détaillé. Le condensateur étant connecté en série dans l'application, un élément inductif 82 relie l'une des bornes 14 et 16 (ici la borne 16) à la masse. De multiples applications exploitent des condensateurs réglables par polarisation continue, parmi lesquelles, à titre d'exemple, des réseaux d'adaptation d'antennes ajustables dans des systèmes de téléphonie mobile multibandes, des filtres radiofréquences accordables, des antennes cellulaires réglables, des circuits d'ajustement de bandes de fréquences, des circuits de correction du rapport d'onde stationnaire (VEWR-Voltage Standing Wave Ratio), etc. Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le choix des valeurs à donner aux composants de l'étage de sortie du circuit de commande et notamment aux résistances R5 et C5 dépend de l'application et plus particulièrement des condensateurs BST auxquels cet étage de sortie est destiné. Ce dimensionnement est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. A titre d'exemple particulier de réalisation, les résistances R41, R42, R43 et R44 sont des résistances de l'ordre du mégohms. Pour un condensateur BST ayant une constante B12843 - 13-T0-0403 11 de temps de l'ordre de 30 microsecondes, la résistance R5 pourra prendre une valeur de l'ordre de 1 MS) et le condensateur C5 pourra prendre une valeur de l'ordre de 30 pF. En outre, la mise en oeuvre pratique des modes de 5 réalisation décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. REVENDICATIONS1. Circuit (2) de commande d'un condensateur (1) de capacité (CPTIC) réglable par polarisation (Vbias), comportant un amplificateur (3) de fourniture d'une tension de polarisation continue, dont une contre-réaction est ralentie par une cellule résistive et capacitive (R5, C5). 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel : une première borne (+) de l'amplificateur (3) reçoit une tension (Vp), fonction de la valeur souhaitée pour la capacité (CpTic) du condensateur réglable (1) et conditionnant 10 la valeur d'une tension (Vbias) de polarisation de ce condensateur de capacité rr ,-PTIC) réglable ; et une deuxième borne (-) de l'amplificateur est reliée, par l'intermédiaire d'un élément résistif (R43) à sa borne de sortie (22) et, par l'intermédiaire de la cellule résistive et 15 capacitive (C5, R5), à la masse. 3. Circuit selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la cellule résistive et capacitive comporte un réseau de capacités commutables (C51, C52, C53, ..., C5n). 4. Système comportant : 20 au moins un condensateur (1) de capacité (CpTic) réglable ; et au moins un circuit de commande (2) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 5. Système selon la revendication 4, dans lequel la 25 cellule résistive et capacitive (R5, C5) est dimensionnée en fonction d'une constante de temps du condensateur (1) de capacité (CpTic) réglable.