Brevet FR3062920A1 — publié le 20180817

CIRCUIT DE POLARISATION ACTIVE ET FAIBLE CONSOMMATION D'UNE ENTRÉE HAUTE IMPÉDANCE Domaine technique La présente demande de brevet est relative à l'acquisition de signaux fournis par des 5 capteurs, signaux pouvant basculer entre un état de basse impédance et un état de haute impédance. Dans certaines situations on cherche plus particulièrement à reconnaître l'état de haute impédance comme un état logique défini. Arrière-plan Dans la figure 1 un capteur fournissant un signal à mesurer est un interrupteur S. On 10 cherche à savoir si l'interrupteur est ouvert ou fermé. L'interrupteur S est relié entre une ligne d'alimentation haute Vdd et une entrée d'un circuit de traitement numérique, généralement une porte logique, illustrée par un inverseur 10. Si l'interrupteur S est fermé, l'entrée de l'inverseur 10 est reliée à la ligne Vdd par un chemin basse impédance qui détermine l'état « 1 » sans ambiguïté. 15 Si l'interrupteur S est ouvert, celui-ci présente une haute impédance, de sorte que, en l'absence d'autres mesures, l'entrée de l'inverseur est flottante et n'a pas d'état défini. Pour éviter cela, on prévoit généralement une polarisation de l'entrée de l'inverseur à la ligne d'alimentation basse Vss par une impédance de rappel R. La présence d'une impédance de rappel produit inévitablement une consommation de 20 courant statique lorsque l'interrupteur S est fermé. La valeur de l'impédance R, de préférence aussi élevée que possible, est toutefois choisie suffisamment basse pour que la décharge du noeud d'entrée de l'inverseur vers la ligne Vss se produise à une vitesse satisfaisante. Dans des applications basse-consommation, de tels courants statiques ne sont pas souhaités. 25 Pour diminuer la consommation statique dans le contexte de l'exploitation d'un signal à trois états (« 0 », « 1 », et « Hi-Z » ou haute impédance) le brevet US6133753 propose de mesurer l'état d'un noeud d'entrée par intermittence. Ainsi, le circuit ne consomme du courant que pendant les phases de mesure. Cependant, une mesure par intermittence n'est pas adaptée à la mesure d'événements brefs qui pourraient survenir entre deux 30 phases de mesure. 3062920 2 Résumé La présente demande de brevet prévoit de façon générale un circuit de détection d'un état flottant d'un noeud, comprenant un premier transistor MOS de premier type de conductivité relié entre le noeud et une première ligne d'alimentation ; et un deuxième transistor MOS de type de conductivité complémentaire au premier type de conductivité, commandé par le noeud et relié entre la grille du premier transistor et une deuxième ligne d' alimentation. De préférence, le circuit comprend en outre un troisième transistor MOS du premier type de conductivité commandé par le noeud et relié entre la grille du premier transistor 10 et la première ligne d'alimentation. Les premier et deuxième transistors peuvent avoir une tension seuil plus basse que le troisième transistor. Le circuit peut comprendre un commutateur mécanique relié entre le noeud et la deuxième ligne d'alimentation. 15 Le noeud peut être relié à une entrée d'un circuit de traitement. On prévoit également un procédé de détection d'un état flottant d'un noeud, comprenant des étapes consistant à, le noeud étant initialement à un premier potentiel, décharger le noeud vers un deuxième potentiel par un courant de fuite d'un premier transistor MOS à l'état bloqué ; et, lorsque l'écart entre le potentiel du noeud et le premier potentiel 20 atteint un seuil d'un deuxième transistor MOS, rendre conducteur le premier transistor MOS. Le procédé peut comprendre des étapes consistant à, le noeud étant initialement au deuxième potentiel, tirer le noeud vers le premier potentiel par la fermeture d'un interrupteur ; et, lorsque l'écart entre le potentiel du noeud et le deuxième potentiel 25 atteint un seuil d'un troisième transistor MOS, bloquer le premier transistor MOS. Description sommaire des dessins Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1, précédemment décrite, illustre schématiquement un circuit de mesure 30 classique de l'état d'un interrupteur ; 3062920 3 - la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un circuit de détection d'un état flottant d'un noeud, présentant une faible consommation statique ; et - la figure 3 est un graphe illustrant un exemple d'évolution du potentiel d'un noeud commuté d'un état polarisé vers un état flottant, en utilisant le circuit de 5 la figure 2. Description de modes de réalisation La figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation d'un circuit conçu pour établir un niveau logique déterminé sur un noeud flottant N, et cela sans utiliser de courant de polarisation, même par intermittence. Le circuit est représenté dans une configuration pour détecter l'état d'un interrupteur S relié à une ligne d'alimentation haute Vdd, comme à la figure 1. Le potentiel Vdd peut représenter le niveau logique « 1 », niveau qui est transmis sans ambiguïté au noeud N lorsque l'interrupteur S est fermé. Le niveau logique « 0 » serait alors représenté par le potentiel d'une ligne d'alimentation basse Vss. Dans cette configuration, on souhaite que le niveau sur le noeud N soit perçu comme un « 0 » par la porte 10 lorsque l'interrupteur S est ouvert. Pour cela, le circuit de la figure 2 est configuré pour forcer le noeud N au potentiel bas Vss lorsque le noeud devient flottant. Plus spécifiquement, le mode de réalisation de la figure 2 comprend deux transistors MOS complémentaires M1 et M2 connectés pour former un verrou qui s'enclenche à l'abaissement du potentiel du noeud N pour confirmer l'état bas (Vss) de ce noeud. Le transistor Ml, à canal N, a sa source reliée à la ligne Vss et son drain relié au noeud N. Le transistor M2, à canal P, a sa source reliée à la ligne Vdd, sa grille reliée au noeud N, et son drain relié à la grille du transistor Ml. Cette configuration permet de détecter l'ouverture de l'interrupteur S, c'est-à-dire le passage à l'état flottant du noeud N. L'interrupteur S étant initialement fermé, le noeud N est au potentiel Vdd. Le transistor M2 est bloqué, sa tension grille-source étant nulle. On suppose que le transistor M1 est également bloqué, ce qui peut être obtenu en polarisant la grille du transistor M1 au potentiel Vss par un transistor M3. Le rôle spécifique du transistor M3 tel que représenté sera décrit ultérieurement - on suppose pour l'instant qu'il agit seulement comme une source de courant constant servant à polariser la grille du transistor Ml. 3062920 4 Dans cette configuration, les transistors M1 et M2 étant bloqués, le circuit ne consomme aucun courant statique engendré par une polarisation. Seuls subsistent le courant de fuite du transistor M1 à travers l'interrupteur fermé S et le courant de fuite du transistor M2 à travers le transistor M3. Un courant de fuite de transistor est 5 généralement plusieurs ordres de grandeur plus faible qu'un courant de polarisation. La figure 3 est un graphe illustrant un exemple d'évolution du potentiel du noeud N survenant lors d'une ouverture de l'interrupteur S. Lorsque l'interrupteur S est ouvert à un instant tO, le noeud N devient flottant, en supposant que le circuit de traitement 10 est à base de transistors MOS, par exemple en 10 technologie CMOS. Le potentiel du noeud N est maintenu temporairement par les capacités parasites des éléments connectés au noeud, notamment la capacité de grille du transistor M2 et des transistors formant l'entrée de la porte logique 10. Cependant, malgré que le transistor M1 soit à l'état bloqué, il présente un courant de fuite inévitable, comme on l'a précédemment évoqué. Il en résulte que le potentiel du noeud 15 N se met à décroître lentement vers le potentiel bas Vss, comme cela est illustré entre l'instant tO et un instant tl. À l'instant tl, la différence entre le potentiel du noeud N et le potentiel haut Vdd atteint le seuil du transistor M2. Le transistor M2 se met à conduire et élève le potentiel sur la grille du transistor Ml. Le transistor M1 se met à conduire à son tour et tire le noeud N 20 plus rapidement vers le potentiel Vss. Les transistors M1 et M2 confirment mutuellement leurs états conducteurs et assument un état verrouillé. Le noeud N produit alors un niveau logique « 0 » stable et à basse impédance. Lorsque l'interrupteur S est de nouveau fermé, celui-ci tire le noeud N vers le potentiel Vdd malgré l'effet antagoniste du transistor M1. Le transistor Ml, étant généralement 25 un transistor de plus petite taille du noeud technologique utilisé, présente une impédance à l'état conducteur notablement plus élevée qu'un interrupteur fermé. Lorsque le potentiel du noeud N se rapproche suffisamment du potentiel Vdd, le transistor M2 se bloque et n'alimente plus la grille du transistor Ml. La grille du transistor M1 est tirée vers le potentiel bas Vss par le transistor M3, provoquant le 30 blocage du transistor Ml. Dans la configuration où le noeud N est au niveau «0 », à savoir où les transistors M1 et M2 sont verrouillés à l'état conducteur, si le transistor M3 était une simple source de courant, le circuit consommerait un courant statique à travers les transistors M2 et M3. 3062920 5 Pour supprimer cette consommation de courant, la grille du transistor M3, un transistor à canal N, est en fait reliée au noeud N, comme cela est représenté. Cette configuration produit plusieurs effets. Lorsque le noeud N est au niveau «0 » et que les transistors Ml et M2 sont 5 conducteurs, le transistor M3 est bloqué, supprimant le courant de polarisation qui pouvait circuler entre le transistor M2 et la ligne Vss. Le circuit ne consomme alors aucun courant de polarisation. Par ailleurs, à la fermeture de l'interrupteur S, le transistor M3 est rendu conducteur relativement tôt au cours de l'élévation du potentiel du noeud N vers le potentiel Vdd, 10 provoquant le blocage précoce du transistor Ml et limitant le pic de courant circulant par l'interrupteur et le transistor Ml. À partir de l'instant tl après l'ouverture de l'interrupteur S, quand le transistor M2 devient conducteur, il peut subsister une phase de conduction simultanée des transistors M2 et M3, le transistor M3 étant bloqué plus tard au cours de l'abaissement du potentiel 15 du noeud N. Le transistor M2 peut être conçu plus grand que le transistor M3, de sorte qu'il tire la grille du transistor Ml plus vite vers le potentiel Vdd malgré l'antagonisme du transistor M3. Une phase de conduction simultanée des transistors M2 et M3 survient également à la fermeture de l'interrupteur S, lorsque le potentiel du noeud N s'élève vers le potentiel 20 Vdd, dans une plage où les seuils des transistors M2 et M3 sont dépassés simultanément. Si on voulait éviter une conduction simultanée, il faudrait que la somme des seuils des transistors M2 et M3 soit supérieure ou égale à la tension d'alimentation Vdd. Selon un mode de réalisation, le transistors M2 peut être de type dit LVT (« Low-Vt » 25 ou basse tension seuil), tandis que le transistor M3 est de type SVT (« Standard-Vt » ou tension seuil normale). Alors, à l'ouverture de l'interrupteur S, le transistor M2 devient conducteur plus tôt au cours l'abaissement du potentiel du noeud N vers le potentiel Vss, raccourcissant ainsi l'intervalle tO-t 1 . 30 Cela augmente cependant la phase de conduction simultanée des transistors M2 et M3, augmentation qui est partiellement compensée par le fait que le transistor M3 conserve un seuil normal (SVT). 3062920 6 Le transistor M1 peut être type LVT ou SVT. S'il est de type LVT, il présentera un courant de fuite légèrement plus élevé à l'état bloqué, contribuant également à raccourcir l'intervalle t0-t1 sans augmenter de façon sensible la consommation statique du circuit. 5 Le graphe de la figure 3 correspond à un exemple de transistors élémentaires dans une technologie CMOS de 180 nm. Les seuils LVT et SVT sont alors de 0,4 V et 0,6 V. Les graduations temporelles du graphe correspondent à 5 ns. Le pic de courant provoqué à la fermeture de l'interrupteur S atteint environ 350 1.1A sur une durée d'environ 2 ns, ce pic incluant la conduction simultanée des transistors M2 et M3. Le pic de courant 10 provoqué par la conduction simultanée des transistors M2 et M3 à l'ouverture de l'interrupteur atteint environ 14 1.1A sur une durée d'environ 1 ns. Selon un autre mode de réalisation, si on souhaite diminuer le pic de courant provoqué à la fermeture de l'interrupteur S, on peut diminuer le seuil du transistor M3 et augmenter le seuil du transistor M2, c'est-à-dire intervertir les types LVT et SVT de ces transistors. 15 Dans ce cas, à la fermeture de l'interrupteur S, la mise en conduction du transistor M3 est plus précoce, provoquant un blocage plus précoce du transistor M1. La phase de conduction simultanée des transistors M2 et M3 reste inchangée, puisque la somme des tensions seuils des transistors M2 et M3 est conservée. De nombreuses variantes et modifications des modes de réalisation décrits ici 20 apparaîtront à l'homme du métier. Les modes de réalisation décrits visent à détecter l'état d'un interrupteur relié à un potentiel d'alimentation haut Vdd. Une configuration duale peut être prévue pour détecter l'état d'un interrupteur relié au potentiel d'alimentation bas Vss, obtenue en intervertissant les types de conductivité des transistors et les lignes d'alimentation. 25 REVENDICATIONS1. Circuit de détection d'un état flottant d'un noeud, comprenant : - un premier transistor MOS (M1) de premier type de conductivité relié entre le noeud (N) et une première ligne d'alimentation (Vss) ; et - un deuxième transistor MOS (M2) de type de conductivité complémentaire au premier type de conductivité, commandé par le noeud (N) et relié entre la grille du premier transistor (M1) et une deuxième ligne d'alimentation (Vdd). 2. Circuit selon la revendication 1, comprenant en outre un troisième transistor MOS (M3) du premier type de conductivité commandé par le noeud (N) et relié entre la grille du premier transistor (M1) et la première ligne d'alimentation (Vss). 3. Circuit selon la revendication 2, dans lequel les premier et deuxième transistors ont une tension seuil (LVT) plus basse que le troisième transistor. 4. Circuit selon la revendication 1, comprenant un commutateur mécanique (S) relié entre le noeud (N) et la deuxième ligne d'alimentation (Vdd). 5. Circuit selon la revendication 4, dans lequel le noeud (N) est relié à une entrée d'un circuit de traitement (10). 6. Procédé de détection d'un état flottant d'un noeud, comprenant les étapes suivantes : - le noeud (N) étant initialement à un premier potentiel (Vdd), décharger le noeud vers un deuxième potentiel (Vss) par un courant de fuite d'un premier transistor MOS (M1) à l'état bloqué ; et - lorsque l'écart entre le potentiel du noeud et le premier potentiel (Vdd) atteint un seuil d'un deuxième transistor MOS (M2), rendre conducteur le premier transistor MOS. 7. Procédé selon la revendication 6, comprenant les étapes suivantes : - le noeud (N) étant initialement au deuxième potentiel (Vss), tirer le noeud vers le premier potentiel (Vdd) par la fermeture d'un interrupteur (S) ; et 3062920 8 - lorsque l'écart entre le potentiel du noeud et le deuxième potentiel (Vss) atteint un seuil d'un troisième transistor MOS (M3), bloquer le premier transistor MOS (M1).