Brevet FR3068189A1 — publié le 20181228

B16138FR - 17-R0-0254 1 OSCILLATEUR RC Domaine La présente description concerne de façon générale les circuits électroniques et, plus particulièrement la réalisation d'un oscillateur RC. Exposé de l'art antérieur Les oscillateurs RC sont basés sur la génération d'une rampe qui est réinitialisée par un comparateur de niveau dont la référence conditionne la période d'un signal numérique fournit par le comparateur. Structurellement, ces oscillateurs comportent des sources de courant ainsi que des éléments résistifs et capacitifs dont les valeurs varient avec la température, ce qui nuit à la stabilité de la période du signal de sortie. Résumé Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des oscillateurs RC connus. Un mode de réalisation propose un oscillateur RC qui est stable en température. Un mode de réalisation propose une solution 20 particulièrement simple et ne requérant pas d'éléments de nature différente de ceux présents habituellement dans un oscillateur RC. B16138FR - 17-R0-0254 2 Ainsi, un mode de réalisation prévoit un oscillateur comportant : un comparateur ; un générateur d'une rampe de tension dont une sortie 5 est reliée à une première borne d'entrée du comparateur et comportant une première source de courant constant ; et une ou plusieurs deuxièmes sources de courant, connectées à la première borne d'entrée du comparateur et fournissant ou prélevant un courant proportionnel ou inversement 10 proportionnel à la température. Selon un mode de réalisation, le générateur de rampe comporte : un élément capacitif en série avec la première source de courant ; et 15 un commutateur en parallèle sur l'élément capacitif, le commutateur étant commandé par une sortie du comparateur. Selon un mode de réalisation, l'oscillateur comporte en outre un générateur d'une tension seuil dont une sortie est reliée à une deuxième borne d'entrée du comparateur. Selon un mode de réalisation, le générateur de tension seuil comporte une troisième source de courant en série avec une résistance, le point milieu de l'association en série étant connecté à ladite deuxième borne d'entrée du comparateur. Selon un mode de réalisation, l'oscillateur comprend 25 en outre un circuit de mise en forme d'un signal de sortie du comparateur. Selon un mode de réalisation, la ou les deuxièmes sources de courant comportent chacune plusieurs sources de courant commutables. 30 Selon un mode de réalisation, la ou les deuxièmes sources de courant sont dimensionnées pour corriger d'éventuelles dérives de la fréquence suite à des variations de température. Un mode de réalisation prévoit un circuit électronique 35 comportant au moins un oscillateur. B16138FR - 17-R0-0254 3 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 5 relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente, de façon très schématique, un exemple d'oscillateur RC usuel ; les figures 2A, 2B et 2C illustrent, par des chronogrammes, le fonctionnement d'un oscillateur RC ; 10 la figure 3 représente, de façon schématique et partiellement sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un oscillateur RC ; la figure 4 illustre le comportement en température d'un oscillateur RC ; et 15 la figure 5 est un exemple de réalisation d'une source de courant de correction de l'oscillateur de la figure 3. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures qui ont été tracées, en 20 particulier pour les chronogrammes, sans respect d'échelle. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation qui vont être décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, l'application finale de l'oscillateur n'a pas été détaillée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les applications usuelles des oscillateurs RC. Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans élément intermédiaire autre que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être directement B16138FR - 17-R0-0254 4 reliés (connectés) ou reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments. Dans la description qui suit, sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", 5 et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. La figure 1 représente, de façon très schématique, un exemple d'oscillateur RC usuel. L'oscillateur comporte un comparateur 3 (par exemple, 10 un amplificateur opérationnel) dont une première borne d'entrée, par exemple non inverseuse ou positive (+), reçoit une rampe de tension VC et dont une deuxième borne d'entrée, par exemple inverseuse ou négative (-), reçoit une tension de seuil VTH. Une borne sortie du comparateur 3 fournit le résultat de la 15 comparaison. La sortie du comparateur 3 bascule à chaque fois que le niveau de la rampe de tension franchit le seuil VTH. La fonction d'oscillation est obtenue en réinitialisant la rampe de tension. Plus précisément, le signal de sortie V3 du comparateur 3 est utilisé pour réinitialiser la rampe de tension à chaque 20 fois qu'elle atteint le seuil VTH, c'est-à-dire à chaque fois que la sortie bascule d'un premier état (par exemple bas) vers un deuxième état (par exemple haut), ce qui fait rebasculer la sortie du comparateur dans le sens inverse. Ainsi, le signal de sortie du comparateur 3 a l'allure d'un signal numérique 25 impulsionnel. Ce signal impulsionnel est périodique. Dans l'exemple représenté, le signal de sortie du comparateur 3 est mis en forme par un circuit 5 (SHAPE) dont une borne de sortie fournit, par exemple, un signal carré pouvant constituer un signal d'horloge CK. 30 La rampe de tension VC est obtenue à partir d'un élément capacitif, par exemple un condensateur C, chargé par une source de courant 7 de valeur constante, et déchargé à chaque impulsion de sortie du comparateur 3. La source de courant 7 et le condensateur C sont connectés en série entre deux bornes 12 35 et 14 d'application d'une tension continue Vdd d'alimentation, B16138FR - 17-R0-0254 5 la borne 14 étant à un potentiel de référence, par exemple la masse GND. Le point milieu 16 de l'association en série de la source de courant 7 et du condensateur C est connecté à la borne d'entrée positive du comparateur et, par un interrupteur K, à la 5 borne 14 (plus généralement à l'autre électrode du condensateur C). Une borne de commande de l'interrupteur K est connectée à la sortie du comparateur 3. La tension seuil VTH est obtenue à partir d'un générateur de tension, de type montage diviseur de tension ou 10 montage de génération d'une tension de référence, constitué par exemple d'une source de courant 9 en série avec un élément résistif R entre les bornes 12 et 14. Le point milieu 18 de cette association en série est connecté à la borne d'entrée négative du comparateur 3. 15 De façon simplifiée, la source de courant 9 est une résistance variable en fonction de la tension d'alimentation Vdd. Le comparateur 3 et le circuit de mise en forme 5 sont, par exemple, alimentés par la tension Vdd. Les figures 2A, 2B et 2C illustrent, par des 20 chronogrammes, le fonctionnement d'un oscillateur RC. La figure 2A illustre un exemple d'allure de la tension VC aux bornes du condensateur C. La figure 2B illustre un exemple d'allure correspondante du signal V3 de sortie du comparateur 3. La figure 3C illustre un exemple d'allure correspondante du signal 25 CK d'horloge fourni par le circuit 5. Pour simplifier, on fera par la suite référence à des états respectivement haut (H) et bas (L) des signaux numériques de sortie du comparateur 3 et du circuit de mise en forme 5. En pratique, ces niveaux sont respectivement proches des potentiels 30 (dans l'exemple de la figure 1, Vdd et GND) d'alimentation du comparateur 3 et du circuit 5, aux chutes de tension près dans les transistors qui les constituent. A chaque cycle, la tension VC croît de façon approximativement linéaire (charge sous courant constant) à 35 partir (instant tO) d'un niveau VL relativement bas par rapport B16138FR - 17-R0-0254 6 au niveau chargé VTH. On verra par la suite que ce niveau bas peut correspondre à un niveau approximativement nul (à la chute de tension près dans l'interrupteur K lorsque celui-ci est fermé). Lorsque le condensateur C est déchargé, la sortie du 5 comparateur 3 est au niveau bas L. Lorsque la tension VC atteint le seuil VTH (instant tl), cela provoque un basculement vers l'état haut H de la sortie (tension V3) du comparateur 3. Ce basculement (instant t2) déclenche d'une part la fermeture de l'interrupteur K et, 10 dans l'exemple représenté, le basculement de la sortie du circuit 5 (instant t3). La fermeture de l'interrupteur K provoque la décharge du condensateur C dont la tension VC chute (avec une constante de temps dépendant de la résistance série de l'interrupteur K à l'état passant). Lorsque la tension VC 15 redescend en dessous du seuil VTH (instant t4), cela provoque un basculement (instant t5) vers l'état bas de la sortie V3 du comparateur 3. Ce basculement déclenche l'ouverture de l'interrupteur K (instant tO du cycle suivant) donc une nouvelle rampe de charge du condensateur C. 20 Les figures 2A et 2B font ressortir le temps (t2-t1) de propagation dans le comparateur 3 pour un basculement de l'état bas L vers l'état haut H, le temps de fermeture de l'interrupteur K cumulé à la durée de décharge du condensateur C (temps t4-t2), le temps (t5-t4) de propagation dans le 25 comparateur 3 pour un basculement de l'état haut H vers l'état bas L et le temps (t0-t5, intervalle de temps entre l'instant t5 d'un cycle et l'instant tO du cycle suivant) d'ouverture de l'interrupteur K. Tous ces retards se cumulent et la durée de chaque 30 cycle (intervalle de temps entre deux instants tO successifs) correspond donc au temps de charge du condensateur C du niveau VIJ au niveau VTH majoré du retard total D (intervalle de temps entre l'instant tl d'un cycle et l'instant tO du cycle suivant). Dans l'exemple représenté, on suppose que la 35 combinaison de la faible résistance série de l'interrupteur K à B16138FR - 17-R0-0254 7 l'état passant, du temps de propagation dans le comparateur 3 et à de la vitesse de commutation de l'interrupteur K, engendre une durée de fermeture suffisante de l'interrupteur K pour décharger complètement le condensateur C à chaque cycle. 5 On suppose que le circuit de mise en forme 5 réalise une fonction de diviseur (de fréquence) par deux, c'est-à-dire qu'il provoque un basculement de l'état de sa sortie à chaque impulsion du signal V3 de sortie du comparateur 3. Selon la réalisation du circuit 5, celui-ci est déclenché sur front 10 montant (cas représenté) ou sur front descendant. Dans l'exemple de la figure 2C, l'intervalle de temps entre deux instants tO successifs représente donc la demi-période de l'horloge CK. La fréquence de l'horloge CK vaut donc 1/(2(RC+D)). D'autres configurations de circuits de mise en forme peuvent être 15 utilisés (par exemple un diviseur par 3, 4, etc.) La stabilité en fréquence d'un oscillateur RC dépend donc de la stabilité des valeurs R, C et D. Or, toutes ces valeurs dépendent de la température. Par conséquent, un oscillateur tel que représenté en figure 1 est fortement 20 dépendant de la température. Cela limite les applications d'un oscillateur RC, en particulier lorsque l'application requiert une horloge dont la fréquence est stable en température, pour lesquels on est aujourd'hui généralement contraint d'utiliser un oscillateur à quartz. 25 La figure 3 représente, de façon schématique et partiellement sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un oscillateur RC 1. On retrouve tous les éléments de l'oscillateur de la figure 1, à savoir : 30 un comparateur 3 dont une première borne d'entrée, par exemple non inverseuse ou positive (+), reçoit une rampe de tension VC et dont une deuxième borne d'entrée, par exemple inverseuse ou négative (-), reçoit une tension de seuil VTH ; une source de courant 7 de valeur constante en série 35 avec un élément capacitif, par exemple un condensateur C, entre B16138FR - 17-R0-0254 8 deux bornes 12 et 14 d'application d'une tension continue Vdd référencée par exemple à la masse GND, le point milieu 16 de l'association en série étant connecté à l'entrée positive du comparateur 3 ; 5 une source de courant 9 en série avec un élément résistif, par exemple une résistance R, entre les bornes 12 et 14, le point milieu 18 de l'association en série étant connecté à l'entrée négative du comparateur 3 ; un interrupteur K court-circuitant les électrodes du 10 condensateur C, commandé par la sortie du comparateur 3 ; et de préférence, un circuit de mise en forme 5 des impulsions de sortie du comparateur 3. Selon un mode de réalisation, l'oscillateur 1 comporte en outre au moins une source de courant de correction 6, 8, 15 injectant ou prélevant un courant sur le noeud 16. Dans l'exemple de la figure 3, on prévoit deux sources de courant 6 et 8, respectivement en parallèle sur la source de courant 7 pour injecter un courant de correction sur le noeud 16 et en parallèle sur le condensateur C pour prélever une partie du 20 courant injecté par la source 7. La ou les sources de courant de correction sont à coefficient de température négatif ou positif, c'est-à-dire que le courant qu'elles fournissent ou prélèvent varie sensiblement linéairement avec la température, avec un coefficient positif ou négatif. 25 Le fait d'associer une source de courant à coefficient de température positif ou négatif à la source de courant constant 7 permet de compenser les dérives en températures des grandeurs R, C et D. Selon la nature des composants, les grandeurs R, C et 30 D diminuent ou augments quand la température augmente. Selon un mode de réalisation, la source de courant 6 fournit un courant, qui s'ajoute au courant fourni par la source de courant 7, pour charger le condensateur C. La source de courant 6 est, par exemple, à coefficient de température négatif 35 (inversement proportionnelle à la température ou « complementary B16138FR - 17-R0-0254 9 ta absolute temperature », CTAT), c'est-à-dire que le courant qu'elle fournit diminue quand la température augmente. Dans un cas où la valeur de la résistance R diminue avec la température, de même que le retard D, une telle source 6 permet de compenser 5 cette dérive en température. Selon un autre mode de réalisation, la source de courant 8 prélève un courant qui ralentit la charge du condensateur C. Un raisonnement similaire peut être effectué avec des 10 sources de courant 6 et 8 à coefficients de température positif (proportionnelle à la température ou « proportional to absolute temperature », PTAT), c'est-à-dire qui fournissent un courant dont la valeur augmente avec la température. De même, on peut, en fonction des caractéristiques des sources de courant, mixer 15 les différentes solutions. Le fait d'utiliser une ou plusieurs sources de courant de correction permet de corriger des dérives en température attendues d'un montage réalisant un oscillateur RC. La figure 4 illustre l'effet de sources de courant de 20 correction dans la réponse en température d'un oscillateur RC. Cette figure représente, de façon très schématique, l'évolution de la fréquence f du signal CK de sortie en fonction de la température T. L'oscillateur 1 est dimensionné pour fournir un signal CK à une fréquence nominale f0 dans des 25 conditions de température nominales TO (typiquement, la température nominale de fonctionnement est de quelques dizaines de degrés). Selon la constitution de l'oscillateur (selon la nature des résistance, condensateur et comparateur et notamment de leurs coefficients de température positif ou négatif), une 30 variation de température se traduit par une augmentation ou une diminution de fréquence selon que la température augmente ou diminue, ou inversement. La figure 4 illustre, par des pointillés, la plage de dérive possible en fonction de la température. Les inventeurs ont constaté que la fréquence est, B16138FR - 17-R0-0254 10 dans un oscillateur usuel (figure 1) susceptible de varier de plusieurs pourcents (par exemple de l'ordre de 3 à 5%). En dimensionnant correctement la ou les sources de courant de correction, on parvient à réduire considérablement la 5 sensibilité en température de l'oscillateur. Ce dimensionnement est effectué à la conception du circuit, par exemple en simulant le comportant de l'oscillateur sans source de courant de correction et en ajustant les valeurs du ou des courants de correction. Le fait de mixer des sources de courant à 10 coefficients de température positif et négatif et/ou d'injecter et de tirer un courant avec des sources de courant ayant des réponses en température différentes permet d'optimiser la correction du comportement en température de l'oscillateur. Un avantage des modes de réalisation qui ont été 15 décrits est qu'en rendant l'oscillateur RC sensiblement indépendant des variations de températures, on élargit considérablement la gamme d'applications possible pour un tel oscillateur. En particulier, cela permet d'utiliser un oscillateur RC là où la stabilité requise pour la fréquence 20 générée nécessitait jusqu'à présent l'emploi d'un oscillateur à quartz ou à résonateur céramique. On peut alors tirer profit des avantages de l'oscillateur RC par rapport à un oscillateur à quartz ou à résonateur céramique en termes de faible coût et de caractère intégrable. 25 Selon un mode de réalisation préféré, la correction effectuée avec la source 6 ou 8 ou avec les sources 6 et 8 est paramétrable, c'est-à-dire que chaque source de courant est constituée de plusieurs (par exemple un nombre compris entre 2 et 20) sources élémentaires connectées en parallèle. 30 La figure 5 est un exemple de réalisation d'une source de courant de correction paramétrable, c'est-à-dire de réalisation de la source de courant, par exemple 6, de la figure 3. Selon cet exemple, la source de courant 6 est 35 constituée de n sources de courant 61, 62, ..., 6n, commutables B16138FR - 17-R0-0254 11 individuellement (interrupteurs Kl, K2, Kn), connectées en parallèle. Les n interrupteurs sont, par exemple, commandés par un signal numérique provenant du circuit dans lequel est intégré l'oscillateur. On utilise, par exemple, une mémoire non volatile 5 20 ou des registres pour stocker un mot de configuration de la source 6. Le cas échéant, on peut, au sein d'une même source de courant 6, utiliser des sources de courant individuelles ayant des coefficients de température positifs pour certaines et 10 négatifs pour d'autres. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on a considéré le cas d'une génération de rampe croissante positive. Toutefois, un oscillateur similaire 15 peur être réalisé à partir d'une génération de pente négative. De même, les potentiels et les tensions mentionnées ne sont que des exemples et peuvent être adaptés en fonction de l'application. De plus, le générateur capacitif de rampe de courant pourra prendre d'autres formes que celle décrite, par 20 exemple, un élément capacitif dans la boucle contre-réaction d'un amplificateur opérationnel. En outre, le seuil de tension VTH peut être généré par un autre circuit, par exemple, un circuit de génération d'une tension de référence de type bandgap. Enfin, l'élément capacitif peut être constitué de 25 plusieurs condensateurs en parallèle. L'élément résistif peut également être constitué de plusieurs résistances en parallèle et/ou en série. On notera que l'homme de l'art pourra combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans 30 faire preuve d'activité inventive. Enfin, la mise en oeuvre des modes de réalisation qui ont été décrits est à la portée de l'homme REVENDICATIONS1. Oscillateur (1) comportant : un comparateur (3) ; un générateur (7, C, K) d'une rampe de tension (VC) dont une sortie est reliée à une première borne d'entrée (+) du 5 comparateur et comportant une première source de courant constant (7) ; et une ou plusieurs deuxièmes sources de courant (6, 8), connectées à la première borne d'entrée du comparateur et fournissant ou prélevant un courant proportionnel ou inversement 10 proportionnel à la température. 2. Oscillateur selon la revendication 1, dans lequel le générateur de rampe comporte : un élément capacitif (C) en série avec la première source de courant (7) ; et 15 un commutateur en parallèle sur l'élément capacitif, ledit commutateur étant commandé par une sortie du comparateur (3). 3. Oscillateur selon la revendication 1 ou 2, comportant en outre un générateur (9, R) d'une tension seuil 20 wirm dont une sortie est reliée à une deuxième borne d'entrée (-) du comparateur (3). 4. Oscillateur selon la revendication 3, dans lequel ledit générateur de tension seuil (VTH) comporte une troisième source de courant (9) en série avec une résistance (R), le point 25 milieu de l'association en série étant connecté à ladite deuxième borne d'entrée (-) du comparateur (3). 5. Oscillateur selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, comportant en outre un circuit (5) de mise en forme d'un signal de sortie du comparateur (3). 30 6. Oscillateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la ou les deuxièmes sources de courant (6, 8) comportent chacune plusieurs sources de courant commutables. B16138FR - 17-RO-0254 13 7. Circuit électronique comportant au moins un oscillateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.