Brevet FR3037673A1 — publié le 20161223

B13960 - 14-T0-0827 1 PROCÉDÉ DE CONFIGURATION D'UN CONDENSATEUR BST Domaine La présente description concerne de façon générale les circuits électroniques et, plus particulièrement, la commande d'un condensateur dont la valeur est réglable par application d'une tension de polarisation. La présente description s'applique plus particulièrement à la commande de condensateurs de type BST (Baryum-Strontium-Titane) Exposé de l'art antérieur Les condensateurs BST ont été développés essentiellement 10 pour des applications radiofréquence, 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. 15 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 20 quelques volts à quelques dizaines de volts, typiquement entre 2 et 20 volts. 3037673 B13960 - 14-T0-0827 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 5 octet) en une tension analogique continue à appliquer au condensateur pour fixer sa capacité. La commande ou configuration d'un condensateur BST souffre aujourd'hui d'imprécision en raison, entre autres, de tolérances de fabrication, de variations liées à la température 10 et de variations liées à l'hystérésis du condensateur. Résumé Un mode de réalisation de la présente description propose un procédé de configuration d'un condensateur BST qui pallie tout ou partie des inconvénients des procédés de 15 configuration usuels. Un mode de réalisation propose une solution adaptée à tenir compte de variations dues à l'hystérésis du matériau diélectrique du condensateur. Un mode de réalisation propose un procédé compatible 20 avec les circuits de commande usuels de condensateurs BST. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de configuration d'un condensateur de capacité réglable par polarisation, à une valeur de consigne, comportant les étapes de : (a) injecter un courant constant pour polariser le 25 condensateur ; (b) mesurer la tension de polarisation du condensateur à l'issue d'un intervalle de temps ; (c) calculer la valeur de la capacité obtenue à la fin de l'intervalle de temps ; 30 (d) comparer cette valeur à une valeur souhaitée ; (e) répéter les étapes (a) à (d) tant que la valeur calculée est différente de la valeur de consigne ; et stocker la valeur de la tension de polarisation mesurée comme étant la tension de polarisation à appliquer au condensateur 3037673 B13960 - 14-T0-0827 3 dès que la valeur de capacité calculée est égale à la valeur de consigne. Selon un mode de réalisation, l'étape de calcul applique la formule suivante : 5 Ac = le * 4T/4V, où Ic représente la valeur du courant constant, et où Av et Ac représentent respectivement la variation de la tension mesurée et la variation de capacité entre la fin et le début de l'intervalle de temps AT. Selon un mode de réalisation, la tension initiale est nulle. Selon un mode de réalisation, la formule devient : C = Ic * ZAT/Vbias, où C représente la capacité calculée et Vbias la tension mesurée. Selon un mode de réalisation, l'intervalle de temps est le même pour toutes les occurrences. Selon un mode de réalisation, l'intervalle de temps varie d'une occurrence à l'autre. Selon un mode de réalisation, l'amplitude du courant est fonction de la variation de capacité souhaitée. Selon un mode de réalisation, le sens du courant dépend du sens de variation souhaité pour la valeur de capacité. Selon un mode de réalisation, l'intervalle de temps est 25 compris 50 et 700 millisecondes. Selon un mode de réalisation, le courant constant a une valeur comprise entre 10 microampères et 500 microampères. Selon un mode de réalisation, le procédé est mis en oeuvre à chaque besoin de modification de la valeur du 30 condensateur BST. Un mode de réalisation prévoit également un circuit de commande d'un condensateur de capacité réglable par polarisation, adapté à la mise en oeuvre du procédé décrit. 3037673 B13960 - 14-T0-0827 4 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 5 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 ; 10 la figure 3 est un schéma électrique détaillé d'un exemple de réalisation d'un condensateur de capacité réglable par polarisation ; la figure 4 illustre, sous forme de blocs, des étapes d'un mode de mise en oeuvre du procédé de configuration d'un 15 condensateur de capacité réglable par polarisation ; la figure 5A à 5C sont des chronogrammes illustrant la mise en oeuvre du procédé de configuration de la figure 4 ; et la figure 6 est une représentation simplifiée d'un circuit de commande associé à des condensateurs 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. En particulier, la réalisation d'un condensateur BST ainsi que des autres parties du circuit de commande n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les réalisations usuelles de condensateurs réglables par application d'une tension de polarisation (par exemple des condensateurs BST) et avec les réalisations usuelles 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 3037673 B13960 - 14-T0-0827 5 "approximativement", "environ" et "de l'ordre de" signifient à 10% près, de préférence à 5% près. La figure 1 est une représentation schématique d'un circuit intégré 1 formant un condensateur BST. Ce circuit comporte 5 généralement au moins trois bornes 12, 14 et 16. En pratique, pour des questions de réalisation industrielle, le boitier 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 10 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 directe ou (cas d'un condensateur utilisé en série dans la chaine radiofréquence) par l'intermédiaire d'un élément inductif. La borne 12 définit une borne d'application d'un 15 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 d'un condensateur BST 1. La résistance R d'application de la 20 tension de polarisation Vbias constitue, avec le condensateur C, un circuit RC série entre la borne 12 d'application de la tension Vbias et, dans cet exemple, la masse M. La figure 3 représente un exemple de schéma électrique détaillé d'un condensateur à capacité réglable par polarisation. 25 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 30 radiofréquence, ce signal étant divisé sur l'ensemble des capacités Ci. Par exemple, on prévoit entre huit et quarante-huit 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 cela ne soit pas obligatoire, le nombre 3037673 B13960 - 14-T0-0827 6 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 qu'au point milieu entre les deux 5 éléments capacitifs Ci au niveau de cette interconnexion. Dans l'exemple de la figure 3, partant de la borne 12, la résistance Rf est connectée entre les troisième et quatrième éléments capacitifs Ci, donc au point milieu 15 entre deux résistances Rb qui sont en série entre le point milieu 17 entre les premier et 10 deuxième éléments capacitifs et le point milieu 19 entre les cinquième et sixième éléments capacitifs. Une difficulté dans la commande ou configuration d'un condensateur BST pour fixer sa valeur est que différents paramètres introduisent des variations de la capacité résultante 15 pour une même tension de consigne. Parmi ces paramètres, on notera les tolérances de fabrication, des variations de la valeur de la capacité en fonction de la température ainsi que des variations liées à l'hystérésis (pour une valeur de consigne donnée, la capacité résultante peut différer selon que l'on augmente ou que 20 l'on diminue la capacité par rapport à la valeur de départ). On pourrait penser effectuer un asservissement de la tension de consigne en fonction du résultat obtenu dans l'application radiofréquence, par exemple en fonction de la fréquence de coupure obtenue avec la capacité réglable dans cette 25 application. Toutefois, une telle solution serait particulièrement complexe en nécessitant des éléments de mesure au niveau de l'application radiofréquence elle-même. De surcroit, les programmes pour contrôler une telle synchronisation seraient eux aussi particulièrement complexes. 30 Pour tenir compte des tolérances de fabrication et des variations en température, on pourrait penser intégrer, dans une même puce, le ou les condensateurs BST à commander et leur circuit de commande (en particulier le convertisseur numérique-analogique). Toutefois, cette solution souffre d'un défaut de 35 flexibilité entre le circuit de commande et les condensateurs qui 3037673 B13960 - 14-T0-0827 7 limite les applications possibles. De plus, cela ne permettrait pas de tenir compte de la variation de la capacité due à l'hystérésis du matériau diélectrique employé. La figure 4 est un schéma bloc illustrant un mode de 5 mise en oeuvre du procédé de configuration de la valeur de la capacité et, plus précisément, de détermination de la tension de polarisation à appliquer pour obtenir la valeur de capacité souhaitée (valeur de consigne). Les figures 5A, 5B et 5C sont des chronogrammes 10 illustrant la mise en oeuvre du procédé de la figure 4. La figure 5A illustre un exemple de variation de la tension de polarisation Vbias entre la borne 12 et la masse M. La figure 5B illustre l'allure d'un courant I injecté dans le condensateur BST. La figure 5C illustre l'évolution de la valeur de la capacité C 15 obtenue. Selon le procédé de la figure 4, on prévoit d'injecter (bloc 41, Ic) un courant constant Ic dans le condensateur BST. Ce courant est injecté pendant une période de temps déterminée (bloc 42, At). A l'issue de la temporisation 42, on mesure (bloc 43, 20 SENSE Vbias) la valeur de la tension de polarisation du condensateur BST, c'est-à-dire la valeur de la tension entre les bornes 12 et M. Sur la base de cette valeur Vbias mesurée, des valeurs du courant Ic et de l'intervalle de temps AT qui sont connues, on 25 calcule alors la capacité obtenue à la fin de la polarisation (bloc 44, COMPUTE C). Cette valeur est calculée par application de la formule suivante : C = Ic * 4T/4V, où AV représente la variation de tension de polarisation 30 entre la fin et le début de l'application du courant constant. On compare alors (bloc 45, C = CT ?) la valeur de capacité C obtenue par calcul à la valeur de consigne souhaitée pour cette capacité qui correspond au mot numérique fourni au circuit de commande. Si la valeur souhaitée est atteinte, c'est- 35 à-dire que la valeur mesurée est égale à la consigne souhaitée 3037673 B13960 - 14-T0-0827 8 (sortie Y du bloc 45), on mémorise (bloc 46, STORE Vbias) la valeur de la tension mesurée à l'étape 43 comme étant la valeur de polarisation à appliquer au condensateur BST pour obtenir la capacité désirée. Dans le cas contraire, on revient en entrée du 5 bloc 42 c'est-à-dire qu'on attend un intervalle de temps supplémentaire. Aux figures 5A et 5C, on suppose une capacité initiale nulle. Le courant constant Ic est appliqué à partir d'un instant tl et une première mesure est effectuée à un instant t2 postérieur 10 de l'intervalle AT. On suppose qu'à cet instant t2, la valeur mesurée V1 de la tension Vbias conduit à un résultat de capacité qui reste inférieur à la capacité CT souhaitée. Le courant Ic continue donc d'être appliqué jusqu'à l'instant ultérieur t3, distant du même intervalle de temps AT dans cet exemple. Aux 15 figures 5A à 5C, on suppose qu'à l'instant t3, la mesure V2 de la tension Vbias conduit à une valeur de capacité atteignant la valeur CT de consigne. On stocke alors cette valeur V2 comme étant la polarisation à appliquer. Dans la représentation des figures 5A à 5C on a supposé 20 pour simplifier des variations linéaires des différentes grandeurs. On notera qu'en pratique ces variations ne sont toutefois pas linéaires. Pour le cas où la valeur initiale de la capacité ne soit pas nulle, c'est-à-dire que la variation souhaitée parte d'une 25 valeur de polarisation Vbias non nulle, on tient compte de cette valeur pour calculer la variation de tension AV. Il n'est en effet pas nécessaire de ramener systématiquement la capacité à sa valeur nulle. Les calculs peuvent s'effectuer sur des variations de tension AV en calculant : 30 Ac = le * 4T/4V, où Av représente la variation de la capacité mesurée entre les deux bornes de l'intervalle de temps AT. En cas de besoin de diminuer la capacité, on applique un procédé similaire à celui décrit ci-dessus avec un courant Ic 35 négatif. 3037673 B13960 - 14-T0-0827 9 En partant de valeurs initiales nulles pour la tension Vbias et la capacité C, on peut cumuler les intervalles de temps et calculer : C = Ic * ZAT/Vbias. 5 En pratique, la gamme de valeurs du courant Ic est prédéterminée en fonction de la gamme de capacités souhaitée pour l'application. Ce courant Ic est positif ou négatif en fonction de la variation de capacité AC souhaitée. Le courant Ic peut également être ajusté en fonction de cette variation souhaitée AC 10 pour réduire le temps de transition entre la valeur initiale de capacité et la valeur finale. A titre d'exemple particulier, cette valeur peut être comprise entre 10 microampères et 500 microampères. De façon similaire, l'intervalle de temps AT dépend des variations souhaitées au niveau de la capacité en fonction de 15 l'application et également de la granularité souhaitée pour le réglage. Plus l'intervalle de temps est faible, plus la détermination de la capacité est fine mais plus l'application du procédé donc la fixation de la valeur prend du temps. Une durée comprise entre environ 50 et 700 microsecondes constitue un 20 compromis acceptable. L'application du procédé de configuration s'effectue, de préférence, à chaque fois que l'application a besoin d'un réglage de la capacité qu'il s'agisse de fixer une valeur absolue à partir de l'origine ou une variation suite à un changement de configuration dans l'application. 25 La figure 6 est une représentation schématique d'un circuit de commande 2 de condensateurs réglables par polarisation. Le circuit 6 est basé sur l'emploi d'un convertisseur numérique-analogique haute tension intégré (STHVDAC). Deux tensions, respectivement d'alimentation numérique Vdig (par exemple 1,8 30 volts) et d'alimentation analogique Vbat (par exemple 3,6 volts) sont appliquées à des bornes Vdig et AVDD du circuit 2. 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, 35 est fournie par un bus série SPI de trois conducteurs 3037673 B13960 - 14-T0-0827 10 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 5 tension Vbat. Le rôle de ce montage est d'alimenter un étage élévateur de tension générant la tension de polarisation pour commander des condensateurs BST. Dans l'exemple de la figure 6, on suppose deux condensateurs BST 1 et 1' connectés à deux bornes OUTA et OUTB. Une résistance R60 relie une borne RBIAS à la masse 10 et un condensateur Chv relie une borne VHV (recevant la haute tension généré par l'étage élévateur) à la masse. Enfin, un condensateur Cs relie chaque borne OUTA, OUTB à la masse pour stabiliser les tensions de polarisation respectives des condensateurs BST 1 et 1'. D'autres bornes de ce circuit sont 15 susceptibles d'être par ailleurs connectées à la masse. Ces éléments décrits ci-dessus en relation avec la figure 6 constituent des éléments usuels d'un circuit de polarisation de condensateurs BST. La représentation de la figure 6 est un exemple arbitraire et d'autres circuits de commande peuvent s'appliquer 20 au mode de réalisation décrit. Selon un mode de réalisation, un convertisseur numérique-analogique du type de celui décrit ci-dessus est programmé pour mettre en oeuvre le procédé de configuration. Cette programmation s'effectue, par exemple, par l'intermédiaire d'un 25 microcontrôleur programmé pour communiquer des mots de consigne adaptés à appliquer un courant constant par l'intermédiaire d'une source de courant (non représentée) associée au circuit 2. Ainsi, les modes de réalisation décrits sont compatibles avec les circuits numérique-analogique usuels de commande de condensateurs 30 BST. Par exemple pour une commande en courant, le condensateur BST est en série avec une source de courant constant, activée (par exemple, par l'intermédiaire d'un interrupteur intercalé entre la source de courant et le condensateur) lors d'un besoin de faire varier la capacité. La durée de charge du condensateur par cette 3037673 B13960 - 14-T0-0827 11 source de courant dépend de la variation souhaitée pour la valeur de la capacité. Un avantage des modes de réalisation décrits est que la précision de la fixation de la valeur de capacité du condensateur 5 BST est améliorée. En particulier, la précision dépend de la précision du circuit de commande mais est rendue indépendante des tolérances de fabrication du condensateur BST, des variations de sa capacité en fonction de la température et de l'hystérésis de son matériau diélectrique. Il est désormais envisageable 10 d'atteindre des précisions de l'ordre du pourcent avec des circuits de commande réalisés en circuit intégré. Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le choix de la valeur du courant constant ainsi que 15 des plages temporelles dépendent de l'application. On notera à cet égard qu'il est également possible de prévoir des plages temporelles variables (par exemple décroissantes au fur et à mesure que l'on s'approche de la valeur de consigne souhaitée pour obtenir un réglage fin). En outre, la mise en oeuvre pratique des 20 modes de réalisation qui ont été décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. REVENDICATIONS1. Procédé de configuration d'un condensateur (1) de capacité (C) réglable par polarisation, à une valeur de consigne, comportant les étapes de : (a) injecter (41) un courant constant (Ic) pour 5 polariser le condensateur ; (b) mesurer (43) la tension de polarisation (Vbias) du condensateur à l'issue d'un intervalle de temps (AT) ; (c) calculer (44) la valeur de la capacité (C) obtenue à la fin de l'intervalle de temps ; 10 (d) comparer (45) cette valeur à une valeur souhaitée (CT) ; (e) répéter les étapes (a) à (d) tant que la valeur calculée est différente de la valeur de consigne ; et stocker (46) la valeur de la tension de polarisation 15 mesurée comme étant la tension de polarisation à appliquer au condensateur dès que la valeur de capacité calculée est égale à la valeur de consigne. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de calcul applique la formule suivante : 20 Ac = le * 4T/4V, où Ic représente la valeur du courant constant, et où AV et AC représentent respectivement la variation de la tension mesurée et la variation de capacité entre la fin et le début de l'intervalle de temps AT. 25 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la tension initiale est nulle. 4. Procédé selon les revendications 2 et 3, dans lequel la formule devient : C = Ic * ZAT/Vbias, 30 où C représente la capacité calculée et Vbias la tension mesurée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'intervalle de temps (AT) est le même pour toutes les occurrences. 3037673 B13960 - 14-T0-0827 13 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'intervalle de temps (AT) varie d'une occurrence à l'autre. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 5 à 4, dans lequel l'amplitude du courant (Ic) est fonction de la variation de capacité (AC) souhaitée. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le sens du courant (Ic) dépend du sens de variation (AC) souhaité pour la valeur de capacité. 10 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'intervalle de temps (AT) est compris 50 et 700 millisecondes. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le courant constant (Ic) a une valeur comprise 15 entre 10 microampères et 500 microampères. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, mis en oeuvre à chaque besoin de modification de la valeur du condensateur BST. 12. Circuit de commande d'un condensateur de capacité 20 réglable par polarisation, adapté à la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.