Brevet FR3063587A1 — publié le 20180907

Oscillateur commandé en tension La présente invention concerne un oscillateur commandé en tension comportant : - une entrée pour une tension de commande définie entre un potentiel de commande et un potentiel de référence - un oscillateur commandé en courant - un convertisseur tension-courant dont l'entrée forme l'entrée pour la tension de commande de l'oscillateur commandé en tension et dont la sortie est reliée à une entrée de l'oscillateur commandé en courant, le convertisseur courant-tension comportant : - deux paires différentielles connectées en inverse entre deux potentiels d'alimentation chaque paire différentielle comportant deux branches les deux branches d'une même paire différentielle ayant des transistors de même polarité dont le canal drain-source est relié entre un même potentiel d'alimentation à travers une source de courant de polarisation et les entrées d'une charge active, les deux transistors, des deux paires différentielles étant de polarités opposées, la transconductance des branches étant telle que le rapport entre la variation du courant de sortie et la variation de la tension d'entrée est compris entre 1/5 et 5 fois la transconductance nominale pour toute tension d'entrée Vin comprise entre les potentiels d'alimentation, - la grille de commande de l'un des transistors de chaque paire étant reliée un potentiel de commande et la grille de l'autre transistor de chaque paire étant reliée au potentiel de référence, les sorties des charges actives étant connectées entre elles et la sortie du convertisseur tension-courant étant prise entre les sorties connectées des deux charges actives. Un tel oscillateur commandé en tension est couramment utilisé dans une boucle à verrouillage de phase, communément désignée par PLL (acronyme de Phase-Locked Loop en anglais). Comme connu en soi, une telle boucle à verrouillage de phase comporte un comparateur de phase recevant sur une première entrée une fréquence déterminée, une pompe de charge et un filtre de boucle dont la sortie est reliée à l'entrée de l'oscillateur commandé en tension. La sortie de l'oscillateur commandé en tension est bouclée sur la seconde entrée du comparateur de phase éventuellement au travers d'un diviseur. On obtient en sortie de l'oscillateur commandé en tension une fréquence de sortie multiple de la fréquence d'entrée. L'oscillateur, présent dans l'oscillateur commandé en tension est en fait commandé par un courant de polarisation et non par une tension d'entrée. L'oscillateur 3063587 2 contrôlé en tension comporte donc un convertisseur tension-courant, suivi d'un oscillateur commandé par un courant de polarisation. Plusieurs types de convertisseur tension-courant existent répartis entre des convertisseurs en boucle ouverte et des convertisseurs en boucle fermée. 5 Les convertisseurs en boucle ouverte comportent par exemple un simple transistor MOS mais la plage de fonctionnement en tension est limitée et le circuit est peu linaire. En ajoutant une résistance en série avec la source du transistor MOS, la linéarité est améliorée mais la plage de fonctionnement est encore plus limitée. Les convertisseurs en boucle fermée avec un transistor monté en suiveur sont 10 relativement linéaires mais ont une plage de fonctionnement limitée notamment par la tension de seuil du transistor MOS. Il existe des convertisseurs en boucle fermée et à entrée « rail à rail » c'est-à-dire étendue sur toute l'étendue de la tension d'alimentation permettant d'augmenter la plage de fonctionnement mais ces convertisseurs sont relativement instables en régime impulsionnel du fait du bouclage, ce qui nuit à la 15 précision de la boucle à verrouillage de phase. Il existe donc un besoin pour un convertisseur dont la plage de fonctionnement en tension est dite rail-rail, c'est-à-dire étendue sur toute l'étendue de la tension d'alimentation, et présentant une grande stabilité en régime impulsionnel. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'oscillateur comporte l'une ou 20 plusieurs des caractéristiques suivantes : - le ou chaque transistor de chaque branche de chaque paire différentielle a un facteur de forme tel que la transconductance de la branche est comprise en tout point entre 1/5 et 5 fois la transconductance nominale pour toute tension d'entrée Vin comprise entre les potentiels d'alimentation ; 25 - chaque branche de chaque paire différentielle comporte une résistance montée en série entre la source du transistor et la source de courant de polarisation de sorte que la transconductance de la branche est comprise en tout point entre 1/5 et 5 fois la transconductance nominale pour toute tension d'entrée Vin comprise entre les potentiels d'alimentation ; 30 - l'une des charges actives comporte un miroir de courant ; - l'une des charges actives comporte un étage à sources de courant ; - chaque charge active comporte un étage cascode associé à celle-ci ; L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels : 35 - la figure 1 est une vue schématique d'un oscillateur commandé en tension ; et 3063587 3 - la figure 2 est une courbe montrant la transconductance du convertisseur courant-tension de l'oscillateur. L'oscillateur commandé en tension 10 illustré sur la figure 1 est propre à être intégré dans une boucle de verrouillage de phase comportant un comparateur de phase, 5 une pompe de charge, un filtre de boucle et l'oscillateur 10. La boucle de verrouillage de phase comporte en outre un diviseur bouclant la sortie de l'oscillateur à une entrée du comparateur. L'oscillateur commandé en tension 10 comporte un oscillateur commandé en courant 12 relié à la sortie d'un convertisseur tension-courant 14 présentant une sortie 10 notée S et une entrée différentielle notée V,n et Vref . En variante, l'entrée est non différentielle et notée Vin. Le convertisseur 14 est un convertisseur en boucle ouverte. Le convertisseur 14 comporte deux paires différentielles 16A, 16B mettant en oeuvre des transistors de polarité opposés et pour chaque paire différentielle, une charge 15 active 17A, 17B. Les constituants des deux paires différentielles sont désignés par les mêmes numéros de référence suivie de A pour la première paire différentielle 16A et B pour la seconde paire différentielle 16B. La charge active 17B est formée d'un miroir de courant 18B associé à un étage 20 cascode 20B. L'autre charge active 17A est formée d'un étage de sources de courant 18A formés de transistors configurés en source de courant associé à un étage cascode 20A. Les deux paires différentielles sont établies entre la tension d'alimentation Vdd et la masse. Elles ont des structures identiques à l'exception de la nature des transistors les 25 constituant et sont montées en sens inverse entre la tension Vdd et la masse. Chaque paire différentielle 16A, 16B comporte ainsi une source de courant de polarisation 30A, 30B connectée respectivement à la tension Vdd et à la masse. Elle comporte en outre deux branches différentielles 41A, 42A respectivement 41 B, 42B parallèles qui sont reliées à la source de courant 30A, 30B. 30 Chaque branche 41A, 42A, respectivement 41B, 42B d'une même paire différentielle comporte des transistors MOS 45A, 46A respectivement 45B, 46B dont le canal drain-source est relié entre une même tension à travers la source de courant de polarisation 30A, 30B et les entrées de la charge active 17A, 17B. Les transistors des deux paires différentielles sont de polarités opposées de sorte 35 que dans l'exemple considéré, les transistors 45A, 46A sont des transistors de type PMOS alors que les transistors 45B, 46B sont des transistors de type NMOS. 3063587 4 Les transistors constituant la charge active 17A, 17B de chaque paire différentielle 16A, 16B sont de polarité opposée à celle des transistors de la paire différentielle associée. Avantageusement et selon l'invention, la transconductance du convertisseur 5 tension-courant , illustrée sur la figure 2 en trait continu, est telle que le rapport entre la variation du courant 'out dans la sortie S et la variation de la tension d'entrée Vin est en tout point compris entre 1/5 et 5 fois la transconductance nominale pour toute tension d'entrée comprise en 0 et Vdd. Cette transconductance nominale, illustrée sur la figure 2 en trait mixte, est définie 'out max-lout_min 10 comme . V inmax- lout max étant le courant maximal de sortie du convertisseur tension courant Vin max étant la tension maximale appliquée en entrée du convertisseur tension courant lout min étant le courant minimal de sortie du convertisseur tension courant, et 15 Vin min étant la tension minimale appliqué en entrée du convertisseur tension courant A cet effet et dans le mode de réalisation décrit sur la figure, chaque transistor 45A, 46A, 45B, 46B est monté en série avec une résistance 51A, 52A, 51 B, 52B disposée entre la source de chaque transistor et le générateur de courant 30A, 30B associé. 20 Ces résistances assurent une dégénération du transistor monté en série conduisant à l'obtention d'une transconductance faible. Pour chaque charge active 17A, 17B, l'étage à sources de courant 18A, le miroir de courant 18B respectivement comprend deux transistors 55A, 56A et 55B, 56B respectivement pour les branches 16A, 16B. Ces transistors ont leur canal drain-source 25 monté en série avec le canal drain-source des transistors principaux 45A, 46A et 45B, 46B respectivement. Les sorties des branches différentielles notées 57A, 58A, et 57B, 58B sont prises entre les transistors principaux 45A, 46A et 45B, 46B et les transistors 55A, 56A et 55B, 56B de la charge active. 30 Les étages cascode, propres à figer les tensions aux sorties 57A, 58A et 57B, 58B comprennent deux transistors 61A, 62A et 61 B, 62B dont les grilles sont reliées ensemble à une même tension de référence Vcn et Vpn. Le canal drain-source des transistors 61A, 62A et 61 B, 62B est relié avec le canal drain source des transistors 55A, 56A et 55B, 56B des charges actives, les sorties 57A, 58A étant interposées au point milieu entre les 35 transistors en série. Vinmin 3063587 5 Les grilles des transistors 55A, 56A formant l'étage à sources de courant sont reliées ensemble à une même tension de polarisation Vbn. Les grilles des transistors 55B et 56B formant le miroir de courant sont reliées ensemble au drain du transistor 61B. 5 Les étages cascodes des branches différentielles correspondantes des deux charges actives 17A, 17B sont reliées ensemble. La sortie S est formée par le point de liaison entre les drains des transistors 62A, 62B des deux paires différentielles 16A, 16B. L'oscillateur commandé en courant 12 est connecté entre la tension Vdd et la masse au travers de deux branches de deux miroirs de courants 108, 110. 10 Le premier miroir de courant 108 formé de trois transistors dont les grilles sont liées ensemble à un drain d'un transistor assure la recopie du courant 1't de la sortie S dans la branche contenant l'oscillateur 12. Ainsi, un transistor 112 du miroir de courant relie la sortie S à la masse et un autre transistor 114 formant une première sortie relie l'oscillateur 12 à la masse. 15 De même, le second miroir de courant 110, formé de deux transistors dont les grilles sont liées ensemble à un drain d'un transistor, a un transistor connectant l'oscillateur 12 à la tension Vdd et l'autre transistor dans une branche comportant un troisième transistor 116 formant la deuxième sortie du miroir de courant 108 établi entre la tension Vdd et la masse. Les sorties des miroirs de courants précités véhiculent ainsi une 20 image de 1't vers l'oscillateur 12. Les sorties sont le transistor 114 et le transistor du miroir 110 relié à l'oscillateur 12. En variante, les résistances 51A, 52A et 51B, 52B sont absentes et chaque transistor 45A, 46A et 45B, 46B de chaque branche des paires différentielles a un facteur de forme tel que la transconductance est comprise entre 1/5 et 5 fois la transconductance 25 nominale. Le facteur de forme (connue sous le nom de « aspect ratio » en anglais) est défini par le rapport entre la largeur W et la longueur L du canal du transistor. On comprend que, la transconductance des branches des paires différentielles étant faible, cette transconductance permet d'obtenir une proportionnalité entre la tension 30 d'entrée et le courant de sortie, sur l'essentiel de la plage de tension entre 0 et Vdd- Ainsi, le recours à une faible transconductance permet de ne pas saturer les branches des paires différentielles avant que la tension d'entrée V,, soit sensiblement égale à la tension Vdd- La présence de deux paires différentielles montées en opposition permet d'assurer 35 un fonctionnement sur une large plage de tension de 0 à Vdd- REVENDICATIONS1.- Oscillateur (10) commandé en tension comportant : - une entrée (V,n, Vref) pour une tension de commande définie entre un potentiel de commande (V,n) et un potentiel de référence (Vref) - un oscillateur commandé en courant (12) - un convertisseur tension-courant (14) dont l'entrée (V,n, Vref) forme l'entrée (Vin, Vref) pour la tension de commande de l'oscillateur commandé en tension (10) et dont la sortie (S) est reliée à une entrée de l'oscillateur commandé en courant (12), le convertisseur courant-tension (12) comportant - deux paires différentielles (16A, 16B) connectées en inverse entre deux potentiels d'alimentation (Vdd, 0) chaque paire différentielle (16A, 16B) comportant deux branches (41A, 42A, 41 B, 42B) les deux branches d'une même paire différentielle ayant des transistors (45A, 46A, 45B, 46B) de même polarité dont le canal drain-source est relié entre un même potentiel d'alimentation (Vdd, 0) à travers une source de courant de polarisation (30A, 30B) et les entrées d'une charge active (17A, 17B), les deux transistors (45A, 46A, 45B, 46B), des deux paires différentielles (16A, 16B) étant de polarités opposées, la transconductance des branches (41A, 42A, 41B, 42B) étant telle que le rapport entre la variation du courant de sortie (bout) et la variation de la tension d'entrée (V,n) est compris entre 1/5 et 5 fois la transconductance nominale pour toute tension d'entrée Vin comprise entre les potentiels d'alimentation (Vdd, 0) - la grille de commande de l'un des transistors (45A, 46A, 45B, 46B) de chaque paire étant reliée un potentiel de commande (V,n) et la grille de l'autre transistor de chaque paire (16A, 16B) étant reliée au potentiel de référence (Vréf), les sorties des charges actives (17A, 17B) étant connectées entre elles et la sortie (S) du convertisseur tension-courant (14) étant prise entre les sorties connectées des deux charges actives (17A, 17B). 2.- Oscillateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou chaque transistor (45A, 46A, 45B, 46B) de chaque branche (41A, 42A, 41B, 42B) de chaque paire différentielle a un facteur de forme (W/L) tel que la transconductance de la branche est comprise en tout point entre 1/5 et 5 fois la transconductance nominale pour toute tension d'entrée Vin comprise entre les potentiels d'alimentation (Vdd, 0). 3.- Oscillateur (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque branche de chaque paire différentielle comporte une résistance (51A, 52A, 51B, 52B) 3063587 7 montée en série entre la source du transistor (45A, 46A, 45B, 46B) et la source de courant de polarisation de sorte que la transconductance de la branche est comprise en tout point entre 1/5 et 5 fois la transconductance nominale pour toute tension d'entrée Vin comprise entre les potentiels d'alimentation (Vdd, 0). 5 4.- Oscillateur (10) selon l'une quelques revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une des charges actives (17B) comporte un miroir de courant (18B). 5.- Oscillateur (10) selon l'une quelques revendications précédentes, caractérisé 10 en ce que l'une des charges actives (17A) comporte un étage à sources de courant (18A). 6.- Oscillateur (10) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que chaque charge active (17A, 17B) comporte un étage cascode (20A, 20B) associé à celle-ci. 15 7.- Boucle à verrouillage de phase comportant un comparateur de phase, une pompe de charge, un filtre de boucle et l'oscillateur (10), la boucle à verrouillage de phase comportant en outre un diviseur bouclant la sortie de l'oscillateur (10) à une entrée du comparateur dans laquelle l'oscillateur (10) est un oscillateur commandé en tension (10) 20 selon l'une quelconque des revendications précédentes.