Brevet FR3018016A1 — publié le 20150828

B13108 - 13-T0-0860 1 CONDENSATEUR BST Domaine La présente description concerne de façon générale les circuits électroniques et, plus particulièrement, les condensateurs dont la valeur est réglable par application d'une tension de polarisation. La présente description s'applique plus particulièrement à des condensateurs de type BST (baryumstrontium-titane). Exposé de l'art antérieur Les condensateurs BST ont été développés essentiellement 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 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 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. B13108 - 13-T0-0860 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. La fiabilité d'un système utilisant un ou plusieurs condensateurs BST dépend de la fiabilité de la conversion de la consigne qui peut être affectée par une dérive de la correspondance entre cette consigne et la valeur de capacité atteinte. Résumé Un mode de réalisation de la présente description vise à proposer un condensateur de capacité réglable par polarisation 15 qui pallie tout ou partie des inconvénients des condensateurs usuels. Un mode de réalisation vise à améliorer la fiabilité du résultat de la conversion d'une consigne numérique vers une valeur de capacité. 20 Un mode de réalisation vise à compenser d'éventuelles dérives en fonction de l'historique de programmation d'un condensateur. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un condensateur de capacité réglable par polarisation, comportant : 25 une association en série de plusieurs premiers éléments capacitifs entre deux premières bornes définissant les électrodes du condensateur ; et deux deuxièmes bornes d'application de potentiels de polarisation respectivement reliées, par l'intermédiaire 30 d'éléments résistifs, aux électrodes opposées de chacun des premiers éléments capacitifs. Selon un mode de réalisation, des résistances relient les premiers éléments capacitifs deux à deux. Selon un mode de réalisation, lesdites résistances sont 35 toutes de même valeur. B13108 - 13-T0-0860 3 Selon un mode de réalisation, les premiers éléments capacitifs sont tous de même valeur. Selon un mode de réalisation, chaque première borne est reliée à ladite association en série par un deuxième élément 5 capacitif. Selon un mode de réalisation, chaque deuxième élément capacitif a une capacité d'environ 4 fois la capacité d'un premier élément capacitif. Un mode de réalisation prévoit également un procédé de 10 commande d'un condensateur de capacité réglable par polarisation, dans lequel une tension de polarisation, appliquée entre deux bornes du condensateur, alterne entre des valeurs positives et négatives. Selon un mode de réalisation, la valeur de la capacité 15 est déterminée par la valeur absolue de la tension de polarisation. Un mode de réalisation prévoit également un circuit de commande d'un condensateur, comportant des bornes d'application de potentiels de polarisation aux deuxièmes bornes des conden- 20 sateurs. Selon un mode de réalisation, une des deuxièmes bornes de plusieurs condensateurs est reliée à une même borne d'application du deuxième potentiel de polarisation. Brève description des dessins 25 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 30 condensateur BST ; la figure 2 est un schéma électrique équivalent d'un condensateur de capacité réglable par polarisation classique ; la figure 3 est un schéma électrique détaillé d'un condensateur de capacité réglable par polarisation classique ; B13108 - 13-T0-0860 4 la figure 4 est un graphe illustrant une plage de variation de la capacité d'un condensateur BST en fonction de sa tension de polarisation ; la figure 5 est un autre graphe représentant la 5 variation de capacité d'un condensateur BST en fonction de sa tension de polarisation ; la figure 6 représente un schéma électrique équivalent d'un mode de réalisation d'un condensateur de capacité réglable par polarisation ; 10 la figure 7 est une représentation simplifiée d'un mode de réalisation d'un circuit de commande de condensateurs BST du type illustré par la figure 6 ; les figures 8A, 8B, 8C et 8D illustrent le fonctionnement d'un condensateur de la figure 6, commandé par le circuit 15 de la figure 7 ; la figure 9 est une représentation simplifiée d'un autre mode de réalisation d'un circuit de commande ; et la figure 10 représente le schéma électrique d'une variante de condensateur BST. 20 Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes 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. 25 En particulier, la génération des signaux de commande notamment numériques d'un condensateur n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les solutions usuelles de génération de tels signaux. De plus, les différentes applications possibles d'un condensateur BST n'ont 30 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 et de préférence à 5 % près. B13108 - 13-T0-0860 La figure 1 est une représentation schématique d'un circuit intégré 1 formant un condensateur de capacité réglable par polarisation, par exemple un condensateur BST également connu sous la désignation PTIC. Ce circuit 1 comporte généralement au 5 moins trois bornes 12, 14 et 16. En pratique, pour des questions de réalisation industrielle, il comporte une quatrième borne 18 qui, dans les condensateurs usuels, n'est pas destinée à être connectée. 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 la masse. Selon l'application, cette connexion est soit directe, soit (cas d'un condensateur utilisé en série avec la chaine radiofréquence) par l'intermédiaire d'un élément additionnel (inductif ou résistif). 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, le potentiel de polarisation est appliqué par l'intermédiaire d'une résistance R. La figure 2 représente le schéma électrique équivalent d'un condensateur BST 1 usuel. 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. La figure 3 représente un exemple de schéma électrique détaillé d'un condensateur à capacité réglable par polarisation connue. Le condensateur 1 comporte plusieurs éléments capacitifs Ci en série, par exemple tous de même valeur. Cette connexion en série est entre les bornes 14 et 16. Le nombre de capacités Ci conditionne la linéarité du condensateur réalisé. Plus ce nombre est important, meilleure est la linéarité du signal radiofréquence, ce signal étant divisé sur l'ensemble des capacités Ci. Par exemple, on prévoit entre 8 et 48 éléments Ci. Des éléments résistifs Rb de polarisation relient les éléments capacitifs Ci deux à deux. Ainsi, pour un nombre n d'éléments capacitifs Ci en série, le condensateur 1 comporte n-1 résistances Rb. Bien que B13108 - 13-T0-0860 6 cela ne soit pas obligatoire, le nombre d'éléments capacitifs Ci est généralement pair pour optimiser la surface du circuit intégré. Une résistance Rf d'application du signal Vbias relie la borne 12 à une interconnexion entre deux des résistances Rb ainsi 5 qu'au point milieu entre les deux éléments capacitifs Ci au niveau de cette interconnexion. Dans l'exemple de la figure 3, partant de la borne 16, la résistance Rf est connectée entre les troisième et quatrième éléments capacitifs Ci, donc au point milieu 15 des deux résistances Rb qui sont en série entre le point milieu entre 10 les premier et deuxième éléments capacitifs et le point milieu entre les cinquième et sixième éléments capacitifs. Dans l'exemple de la figure 3, l'orientation des flèches sur les éléments capacitifs symbolise le sens de polarisation des différents éléments. Une inversion de sens de polarisation d'un 15 élément au suivant n'est pas indispensable mais permet de réduire les effets acoustiques liés au matériau constitutif des capacités et participe à l'amélioration de la linéarité. La figure 4 est un graphe illustrant la variation de la capacité CpTic du condensateur C en fonction de la tension Vbias 20 de la polarisation. Il s'agit d'un exemple arbitraire d'un condensateur dont on souhaite régler la valeur sur une plage comprise entre environ 30 et 150 picofarads en fonction d'une tension de polarisation appliquée. Ce graphe met en évidence un phénomène qu'ont constaté 25 les inventeurs. Pour une valeur de polarisation donnée, la capacité résultante prise par le condensateur peut varier de façon non négligeable. Cette variation peut atteindre une dizaine de pourcents (zone hachurée en figure 3). Les inventeurs ont également constaté que, lorsque le 30 condensateur BST n'a pas servi depuis quelques heures, l'évolution de la capacité en fonction de la tension suit la courbe supérieure de l'allure de la figure 3. Au fur et à mesure des commandes successives du condensateur, surtout sur de brèves périodes, la variation de la capacité CpTic en fonction de la tension a tendance 35 à se rapprocher de la courbe du bas. En fait, on assiste à un B13108 - 13-T0-0860 7 effet de relaxation lorsque le condensateur n'est pas utilisé. Ce phénomène, généralement appelé "hystérésis", est lié à la structure même des condensateurs BST et au comportement des matériaux ferroélectriques qui les constituent. Les contraintes actuelles, en termes de fréquence et de rapidité de changement de valeur d'un condensateur BST (à tout le moins sans attendre plusieurs heures), conduisent à un défaut de précision dans les valeurs des capacités obtenues par polarisation. Les inventeurs se sont toutefois aperçus qu'en appli- quant une polarisation négative au condensateur BST, on réduit l'effet néfaste mentionné ci-dessus, c'est-à-dire qu'on accélère l'effet de relaxation de la capacité, ce qui permet de se fier à une conversion tension de polarisation-capacité souhaitée. De surcroit, la variation de la valeur de la capacité est symétrique par rapport à une tension de polarisation nulle. Ainsi, une polarisation sous une tension négative fournit la même valeur qu'une tension de polarisation positive. La figure 5 illustre ce phénomène. Cette figure représente un exemple de caractéristique de la capacité CpTic en fonction de la tension de polarisation Vbias. Comme on peut le constater, la capacité CpTic prend une valeur Cb identique pour une même valeur absolue Vb de la tension Vbias. On prévoit d'exploiter ce phénomène pour fiabiliser les valeurs de capacité obtenues, et plus particulièrement la fiabilité de la conversion consigne-capacité. Plus précisément, on prévoit d'alterner les polarisations sous tension positive et négative afin d'éviter une dérive dans le résultat de la conversion. La figure 6 représente un mode de réalisation d'un condensateur de capacité ajustable par polarisation. Par rapport à un condensateur classique 1 (figure 3), on prévoit d'appliquer un premier potentiel positif Vrefl sur la borne 12 et un deuxième potentiel positif Vref2 sur un autre noeud 35 de l'association en série des éléments capacitifs Ci. Par exemple, B13108 - 13-T0-0860 8 une résistance Rf' d'application du potentiel Vref2 relie la borne 18 habituellement non connectée du circuit intégré au point milieu 17 entre, dans cet exemple, les quatrième et cinquième éléments capacitifs Ci. Cela revient à appliquer une tension Vbias égale à Vrefl-Vref2 aux bornes de chacun des éléments capacitifs Ci. On notera que le noeud d'application des potentiels de polarisation Vrefl et Vref2 dans l'association en série des différents éléments capacitifs Ci n'a pas d'importance, pourvu que les deux potentiels soient appliqués à des électrodes opposées des éléments capacitifs. En d'autres termes, on peut considérer que le potentiel Vrefl est appliqué sur un noeud impair tandis que le potentiel Vref2 est appliqué sur un noeud pair. En considérant l'ensemble du condensateur, cela revient à relier les bornes 12 et 18 d'application des potentiels Vrefl et Vref2, par l'intermédiaire d'éléments résistifs Rf et Rf' (et d'une ou plusieurs résistances Rb dépendant de la position de l'élément capacitif par rapport aux bornes 12 et 18), aux électrodes opposées de chacun des éléments capacitif. On aurait pu penser appliquer un potentiel négatif sur la borne 12 pour obtenir l'effet d'une valeur moyenne nulle de polarisation et ainsi annuler les éventuelles dérives. Toutefois, cela complique la commande et requiert la génération d'un potentiel négatif de polarisation. La solution préconisée par les modes de réalisation décrits permet de polariser le condensateur en appliquant uniquement des potentiels positifs sur les bornes 12 et 18, tout en obtenant l'effet escompté d'une polarisation sous une tension négative. Dans l'exemple de la figure 6, on prévoit des éléments capacitifs Cd additionnels entre les bornes 14 et 16 du condensateur 2 intégré et des bornes 14' et 16' destinées à recevoir le signal radiofréquence. Le rôle de ces condensateurs Cd, ici externes au circuit 2, est de filtrer la composante continue introduite par l'application du potentiel de référence Vref2, la borne 18 d'application du potentiel Vref2 n'étant B13108 - 13-T0-0860 9 séparée des bornes 14 et 16 que par des éléments résistifs. Côté potentiel Vrefl, les premier et dernier éléments Ci de l'association en série séparent la borne 12 des bornes 14 et 16 et participent au filtrage de cette composante continue. Dans l'exemple de la figure 6, on suppose que le condensateur 2 est intercalé dans la chaîne de transmission radiofréquence. Par conséquent, les bornes 14' et 16' sont connectées à la masse par l'intermédiaire d'éléments inductifs RFind. La figure 7 est une représentation schématique d'un circuit de commande 3 sous la forme d'un convertisseur numérique analogique haute tension intégré (HVDAC). Deux tensions, respectivement d'alimentation numérique Vdig (par exemple, 1,8 volts) et d'alimentation analogique Vbat (par exemple 3,6 volts) sont appliquées à des bornes Vdig et AVDD du circuit 3. Un 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, dans cet exemple, est fournie par un bus série SPI de trois conducteurs respectivement d'horloge, de données et de synchronisation reliés à des bornes CLK, DATA, et SELSID du circuit 3. 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 (par exemple comprise entre 2 et 20 volts) pour commander les condensateurs 2 connectés au circuit 3. Une résistance R3 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 3. D'autres bornes de ce circuit sont susceptibles d'être par ailleurs connectées à la masse. La représentation de la figure 7 est un exemple arbitraire et d'autres circuits de commande peuvent s'appliquer aux modes de réalisation décrits. B13108 - 13-T0-0860 10 Dans l'exemple de la figure 7, le circuit 3 comporte six bornes de sortie OUTA, OUTB, OUTC, OUTD, OUTE et OUTF destinées à commander cinq condensateurs BST 2. Les bornes OUTA à OUTE sont reliées aux bornes respectives 12 des condensateurs 2 tandis que 5 la borne OUTF est commune à tous les condensateurs 2 en étant reliée à leurs bornes 18. Des condensateurs C' de filtrage relient les bornes OUTA, OUTB, OUTC, OUTD, OUTE et OUTF à la masse. Les bornes respectives 14 et 16 des différents condensateurs 2 constituent des bornes d'entrée/sortie de signaux radiofréquence 10 à traiter respectivement par ces différents condensateurs. Les figures 8A, 8B, 8C et 8D illustrent le fonctionnement du procédé de polarisation d'un condensateur BST tel que représenté en figure 6 par un circuit du type de celui de la figure 7. La figure 8A est un chronogramme illustrant un exemple 15 de valeurs prise par la tension Vrefl appliquée sur la borne 12. La figure 8B illustre un exemple d'allure de la tension Vref2 appliquée sur la borne 18. Les tensions Vrefl et Vref2 sont référencées par rapport à la masse. La figure 8C illustre l'allure de la tension Vbias correspondant à la différence entre les 20 tensions Vrefl et Vref2. La figure 8D illustre les valeurs de capacité CpTic obtenues par la polarisation sous la tension Vbias. On suppose qu'à un instant tl, on souhaite passer de la valeur de repos CO (tension Vbias nulle) qui correspond à la valeur maximale atteignable par la capacité CpTic à une première 25 valeur Cl de capacité relativement faible ce qui, d'après l'allure de la figure 4, impose d'appliquer une tension Vbias relativement élevée. Dans l'exemple des figures 8A à 8D, la tension Vref2 appliquée sur la borne 18 est constante et conserve une même 30 valeur VO, positive. Ainsi, la tension Vbias passe d'une valeur positive à une valeur négative en fonction de la différence entre la tension Vrefl et la tension Vref2. Dans l'exemple des figures 8A à 8D, on suppose qu'entre des instants tl et t2, un potentiel V1, positif et supérieur au 35 potentiel VO, est appliqué sur la borne Vrefl. Il en découle une B13108 - 13-T0-0860 11 tension de polarisation Vbl aux bornes du condensateur et une première valeur Cl de capacité CpTic. Entre des instants t2 et t3, une seconde valeur V2 de tension Vrefl est appliquée. Cette valeur V2 par exemple inférieure à la valeur VO de sorte que la différence conduit à une valeur Vb2 négative de tension de polarisation Vbias. Dans l'exemple arbitraire pris aux figures, la tension Vb2 est en valeur absolue inférieure à la tension Vbl, de sorte que la valeur de la capacité C2 obtenue est supérieure à la valeur Cl. Entre des instants t3 et t4, on suppose une tension Vrefl ayant une valeur V3, intermédiaire entre les valeurs V1 et V2, mais supérieure à la valeur VO. Il en résulte une tension de polarisation Vb3 de valeur absolue inférieure à la tension Vb2 et une troisième valeur de capacité C3. Après l'instant t4, on suppose l'application d'une tension Vrefl ayant une valeur V4 telle que la valeur absolue de la différence entre les tensions VO et V4 soient égales à la valeur absolue de la différence entre les tensions V1 et VO. Il en résulte une tension de polarisation Vb4 négative mais égale à la valeur absolue de la tension Vbl. Par conséquent, la capacité prise par le condensateur 2 est la valeur Cl. Les figures 8A à 8D illustrent qu'en alternant des passages par des valeurs positives et négatives au niveau de la tension de polarisation Vbias, on évite les dérives dans le résultat de la conversion tension de consigne/capacité. La figure 9 est un schéma électrique simplifié d'un autre mode de réalisation d'un circuit 3' de commande de condensateur 2. Par rapport au mode de réalisation de la figure 7, la différence est que l'on prévoit d'affecter, aux bornes 18 des trois condensateurs 2, des bornes OUTD, OUTE et OUTF du circuit 30 3' différentes les unes des autres. La commande des condensateurs 2 est plus individuelle et permet une variation plus importante. Toutefois, un avantage du mode de réalisation de la figure 7 est qu'avec un potentiel VO(Vref2) commun à tous les condensateurs, on simplifie la génération de ce potentiel et celle 35 du circuit de commande. Le potentiel Vrefl appliqué aux différents B13108 - 13-T0-0860 12 condensateurs suffit à différencier les valeurs des capacités obtenues. La figure 10 représente une variante de réalisation d'un condensateur 2 dans lequel les capacités Cd de découplage sont 5 intégrées dans le circuit 2 (et non externes comme dans le mode de réalisation de la figure 6). A titre d'exemple particulier de réalisation, la valeur des capacités Cd représente de l'ordre de quatre fois la valeur des capacités individuelles Ci intégrées dans le condensateur 2. 10 Un avantage des modes de réalisation qui ont été décrits est qu'il est désormais possible de fiabiliser la conversion entre des consignes numériques puis analogiques de commande de condensateur BST. Un autre avantage est qu'en exploitant une polarisation 15 différentielle, la génération des tensions est simplifiée. En particulier, la mise en oeuvre des modes de réalisation décrits ne requiert pas de génération de tension négative par rapport à la masse. Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses 20 variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le dimensionnement des capacités individuelles Ci ainsi que des résistances individuelles Rb de polarisation est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus et en appliquant des techniques 25 en elles-mêmes usuelles. De plus, bien que les circuits de commande aient été décrits en relation avec un exemple comportant six bornes de sortie, d'autres réalisations sont possibles en fonction du nombre de condensateurs BST devant être commandés. De même, la génération des instructions de commande afin d'alterner 30 des polarisations positives et négatives est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. En outre, bien que l'on ait fait référence à une alternance de tensions de polarisation positive et négative, on pourra prévoir de conserver des valeurs positives pendant quelques B13108 - 13-T0-0860 13 occurrences et des valeurs négatives pendant d'autres occurrences (de préférence, moins de 10 occurrences à chaque fois). REVENDICATIONS1. Condensateur (2) de capacité (CpTIC) réglable par polarisation (Vbias), comportant : une association en série de plusieurs premiers éléments capacitifs (Ci) entre deux premières bornes (14, 16) définissant 5 les électrodes du condensateur ; et deux deuxièmes bornes (12, 18) d'application de potentiels (Vrefl, Vref2) de polarisation respectivement reliées, par l'intermédiaire d'éléments résistifs (Rf, Rf', Rb), aux électrodes opposées de chacun des premiers éléments capacitifs 10 (Ci). 2. Condensateur selon la revendication 1, dans lequel des résistances (Rb) relient les premiers éléments capacitifs (Ci) deux à deux. 3. Condensateur selon la revendication 2, dans lequel 15 lesdites résistances (Rb) sont toutes de même valeur. 4. Condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les premiers éléments capacitifs (Ci) sont tous de même valeur. 5. Condensateur selon l'une quelconque des reven20 dications 1 à 4, dans lequel chaque première borne (14, 16) est reliée à ladite association en série par un deuxième élément capacitif (Cd). 6. Condensateur selon la revendication 5, dans lequel chaque deuxième élément capacitif (Cd) a une capacité d'environ 4 25 fois la capacité d'un premier élément capacitif (Ci). 7. Procédé de commande d'un condensateur (2) de capacité (CpTIC) réglable par polarisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel une tension de polarisation (Vbias), appliquée entre deux bornes (12, 18) du condensateur, 30 alterne entre des valeurs positives et négatives. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la valeur de la capacité (CpTIC) est déterminée par la valeur absolue de la tension de polarisation (Vbias).B13108 - 13-T0-0860 15 9. Circuit (3, 3') de commande d'un condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant des bornes (OUTA, OUTB, OUTC, OUTD, OUTE, OUTF) d'application de potentiels de polarisation (Vrefl, Vref2) aux deuxièmes bornes (12, 18) des condensateurs (2). 10. Circuit selon la revendication 9, dans lequel une (18) des deuxièmes bornes de plusieurs condensateurs (2) est reliée à une même borne d'application du deuxième potentiel de polarisation (Vref2).