Brevet FR3145072A1 — publié le 20240719

Paire différentielle MOS La présente description concerne une paire différentielle (200, 300, 400, 500) comprenant : - une première et une deuxième branches ayant un premier nœud commun (NTAIL), chaque branche comprenant au moins un transistor ayant un nœud de conduction connecté directement audit premier nœud (NTAIL) ; - une troisième branche reliant ledit premier nœud à un nœud d'alimentation (NP), et comprenant une source de courant en série avec un élément résistif. Figure pour l'abrégé : Fig. 2 Paire différentielle MOS La présente description concerne de façon générale les circuits électroniques et, plus particulièrement, des paires différentielles de transistors et, en particulier, des paires différentielles MOS dans des amplificateurs opérationnels. De nombreuses fonctions analogiques telles que des amplificateurs opérationnels utilisant des transistors MOS comprennent un étage d'entrée ayant une paire différentielle (appelée paire différentielle MOS). La fiabilité des paires différentielles MOS existantes est impactée par des champs électromagnétiques haute fréquence. Il existe un besoin de proposer un circuit de paire différentielle MOS qui soit moins sensible aux champs électromagnétiques haute fréquence. Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des paires différentielles à transistors connues. Un mode de réalisation prévoit une paire différentielle comprenant : - une première et une deuxième branches ayant un premier nœud commun, chaque branche comprenant au moins un transistor ayant un nœud de conduction connecté directement audit premier nœud ; - une troisième branche reliant ledit premier nœud à un nœud d'alimentation, et comprenant une source de courant en série avec un élément résistif. Selon un mode de réalisation, ledit élément résistif a une valeur de résistance supérieure à 100 Ohms. Selon un mode de réalisation, ledit élément résistif a une valeur de résistance supérieure à 1 kOhms. Selon un mode de réalisation, l'élément résistif est une résistance. Selon un mode de réalisation, l'élément résistif est un transistor MOS. Selon un mode de réalisation, la source de courant est un transistor MOS. Selon un mode de réalisation : - un premier nœud de conduction du transistor de la source de courant est connecté au nœud d'alimentation ; et - un deuxième nœud de conduction du transistor de la source de courant est relié, par ledit élément résistif, au premier nœud. Selon un mode de réalisation : - un nœud de conduction du transistor de la source de courant est connecté au premier nœud ; et - un autre nœud de conduction du transistor de la source de courant est relié, par ledit élément résistif, au nœud d'alimentation. Selon un mode de réalisation, le nœud d'alimentation est configuré pour être relié à la masse. Selon un mode de réalisation, la source de courant est un transistor NMOS. Selon un mode de réalisation, le nœud d'alimentation est configuré pour être relié au rail d'alimentation. Selon un mode de réalisation, la source de courant est un transistor PMOS. Selon un mode de réalisation, le transistor de chacune des première et deuxième branches a sa source connectée au premier nœud. Selon un mode de réalisation, le transistor de chacune des première et deuxième branches est un transistor PMOS. Selon un mode de réalisation, le transistor de chacune des première et deuxième branches est un transistor NMOS et a son drain connecté au premier nœud. 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 représente un exemple d'une paire différentielle PMOS classique ; la représente une paire différentielle PMOS selon un mode de réalisation ; la représente une paire différentielle PMOS selon un autre mode de réalisation ; la représente en détail une paire différentielle PMOS selon un mode de réalisation ; la représente en détail une paire différentielle NMOS selon un mode de réalisation ; la représente le fonctionnement d'une paire différentielle MOS selon les modes de réalisation décrits ; et la représente une paire différentielle selon un autre mode de réalisation. De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. 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 décrits ont été représentés et sont détaillés. Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures. Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. Les modes de réalisation de la présente description seront décrits en relation avec une mise en œuvre basée sur des transistors MOS. On notera toutefois que la description s'applique plus généralement à d'autres types de paires différentielles de transistors, par exemple bipolaire (PNP ou NPN), JFET, etc. La représente un exemple d'une paire différentielle MOS classique 100. La paire différentielle MOS comprend une première branche B1 et une deuxième branche B2. Chacune des première et deuxième branches comprend un transistor 102 et 104, respectivement. Dans l'exemple de la , les transistors 102 et 104 sont des transistors PMOS. La source du transistor 102 est connectée à un nœud commun NTAIL par une résistance Rs1. La grille du transistor 102 définit une première entrée de la paire différentielle, destinée à recevoir une première tension Vin- d'un signal d'entrée différentiel. Le drain du transistor 102 définit une première sortie de la paire différentielle. La source du transistor 104 est reliée au premier nœud NTAIL par une résistance Rs2. La grille du transistor 104 définit une deuxième entrée de la paire différentielle, destinée à recevoir une deuxième tension Vin+ du signal d'entrée différentiel. Le drain du transistor 104 définit une deuxième sortie de la paire différentielle. La paire différentielle MOS comprend également une troisième branche B3 reliant un nœud NTAIL à un nœud d'alimentation NP par l'intermédiaire d'une source de courant 106. Le circuit de la est classiquement appelé paire différentielle à résistances de dégénération du gain car la présence des résistances Rs1 et Rs2 dégrade le gain de la paire différentielle. En mode dynamique ou pendant un fonctionnement à des fréquences élevées (typiquement des radiofréquences), des capacités parasites grille-source (Cgs1 et Cgs2 représentées en traits pointillés) ne sont pas négligeables. En outre, la source de courant 106, qui est généralement constituée d'un transistor MOS, est, à des fréquences élevées, équivalente à sa capacité parasite drain-source Cds. La capacité Cds correspond à la capacité totale entre le drain et la source. Dans de nombreuses applications d'une paire différentielle, une entrée, par exemple la grille du transistor 104, reçoit un signal de référence et l'autre entrée (la grille du transistor 102) reçoit un signal de contre-réaction. Dans un tel cas, le signal de référence est découplé de la masse par l'intermédiaire d'une capacité de stabilisation Cvref du signal de référence. Le circuit équivalent radiofréquence RF est par conséquent déséquilibré en raison du fait que les filtrages RF dus aux résistances Rs1 et RS2 et aux capacités ne sont pas parfaitement égaux sur les deux branches. Un courant de décalage à la sortie de la paire différentielle peut en outre résulter de la non-linéarité inhérente du transistor MOS en régime de saturation. Cela s'applique également à l'absence de résistances de dégénération car les capacités déséquilibrées dans les branches demeurent présentes exception faite que l'effet sera plus fort car la différence entre les tensions parasites RF Vgs des transistors 102 et 104 est plus grande. Plus généralement, les structures classiques de paires différentielles ne sont pas adaptées à un fonctionnement à des fréquences élevées sans prévoir de filtres RC supplémentaires au niveau des entrées et de la sortie de la paire différentielle. Les modes de réalisation décrits prévoient une solution alternative évitant le besoin de filtrage RC au niveau de l'entrée/sortie de la paire différentielle ou au moins réduisant la taille des composants de ces cellules de filtrage RC. La représente une paire différentielle MOS 200 selon un mode de réalisation. La paire différentielle MOS 200 est similaire à la paire différentielle 100 de la exception faite que, dans les première et deuxième branches B1, B2, les résistances Rs1 et Rs2 sont absentes et les sources des transistors 102, respectivement 104, sont connectées directement au nœud NTAIL. De plus, par rapport à l'exemple de la , la troisième branche B3 comprend un élément résistif supplémentaire Rs en série avec la source de courant. Dans l'exemple représenté, la source de courant 106 est reliée au nœud NTAIL par l'élément résistif Rs et est reliée, de préférence connectée, à un nœud NP d'application d'une tension d'alimentation, par exemple un rail d'alimentation VDD. L'élément résistif Rs est un élément supplémentaire du circuit, c'est-à-dire qu'il ne résulte pas d'une résistance parasite telle que celle résultant de la structure ou des interconnexions du circuit. L'élément résistif Rs est par exemple mis en œuvre par un silicium polycristalin, un métal ou d'autres types de résistances ou par un transistor MOS par exemple un transistor PMOS. Si la résistance est constituée par un transistor MOS, la résistance drain-source sera sélectionnée suffisamment élevée pour rendre négligeable l'impact de la capacité de chevauchement (capacité drain-source). La résistance de l'élément résistif Rs est supérieure à 100 Ohms, de préférence supérieure à 1 kOhms, par exemple quelques dizaines de kOhms. Un avantage du circuit tel que représenté en est qu'il n'y a pas de dégradation du gain car l'élément résistif Rs est dans la troisième branche, c'est-à-dire la branche commune aux deux transistors différentiels. En outre, à des fréquences RF, le fonctionnement des deux branches est symétrique dans la mesure où le point équivalent filtré est le nœud NTAIL. Cela garantit un filtrage efficace d'une tension RF VTAIL au niveau du nœud NTAIL avec une constante de temps qui dépend de la valeur de l'élément résistif Rs et de la capacité équivalente connectée à NTAIL, par exemple (Cgs2.Cvref)/(Cgs2+CVref)) comme dans l'exemple de la . De plus, une capacité du substrat vers la masse contribue également au filtrage de la tension RF au niveau du nœud NTAIL. Par conséquent, un décalage dû aux signaux parasites radiofréquence sur le nœud NP sur les signaux de sortie est réduit sur les deux branches B1 et B2. Une architecture telle que représentée en est par conséquent particulièrement adaptée à des amplificateurs opérationnels haute fréquence à fiabilité élevée pour réduire le décalage induit RF, et également pour améliorer en partie le taux de réjection de la tension d'alimentation (PSRR). La représente une paire différentielle MOS 300 selon un autre mode de réalisation. La paire différentielle 300 est similaire à la paire différentielle 200 de la , exception faite que la source de courant 106 et l'élément résistif Rs sont inversés dans la troisième branche B3. En d'autres mots, l'élément résistif Rs de la troisième branche relie le nœud d'alimentation NP à la source de courant, reliée, de préférence connectée, au nœud NTAIL. Pour simplifier la représentation de la , la capacité Cvref n'est pas représentée mais est présente comme en . Le fonctionnement du circuit de la est similaire à celui de la . La représente en détail une paire différentielle MOS 400 selon un mode de réalisation. L'architecture de la paire différentielle 400 est similaire à celle de la paire différentielle 200 de la . La représente un mode de réalisation de la source de courant 106, qui est mise en œuvre par un transistor PMOS 402. Le drain du transistor 402 est relié, de préférence connecté, au nœud d'alimentation NP et sa source est reliée, de préférence connectée, à l'élément résistif Rs. La représente en détail une paire différentielle MOS 500 selon un mode de réalisation. L'architecture de la paire différentielle 500 est similaire à celle de la paire différentielle 400 de la , exception faite que les transistors sont des transistors NMOS. La source de courant 106 est mise en œuvre par un transistor 508 ayant sa source reliée, de préférence connectée, au nœud d'alimentation NP at son drain relié, de préférence connecté, à l'élément résistif Rs. Le nœud d'alimentation NP est configuré pour être relié, ou de préférence connecté, à la masse GND et les transistors des première et deuxième branches sont des transistors NMOS 502 et 504. Les transistors 502, 504 ont leur drain respectif relié, de préférence connecté, au nœud NTAIL. La représente le fonctionnement d'une paire différentielle MOS selon les modes de réalisation décrits. Plus précisément, la représente un exemple de l'atténuation de la tension de la fonction de transfert Vtail/VNP (VNP étant la tension au nœud NP) en fonction de la fréquence avec une comparaison des exemples des figures 1 et 2. En , le comportement de la paire différentielle 100 est représentée en traits pointillés, et le comportement de la paire différentielle 400 est représentée en traits continus. Dans le cas de la paire différentielle 400, la valeur Rs de la paire différentielle de la est supposée être 10 kOhms. A des fréquences inférieures à environ 30 MHz, les paires différentielles 100 et 400 se comportent sensiblement de façon similaire. Pour des fréquences supérieures à 30 MHz, la différence d'atténuation augmente entre la paire différentielle 400 et la paire différentielle 100. Par exemple, à environ 700 MHz, l'atténuation est d'environ -23 dB pour la paire différentielle 400 et d'environ -18 dB pour la paire différentielle 100. A environ 3 GHz, l'atténuation est d'environ -40 dB pour la paire différentielle 400 et d'environ -10 dB pour la paire différentielle 100. Le bruit des perturbations RF au niveau du nœud d'alimentation NP est ainsi considérablement réduit avec les modes de réalisation ainsi décrits. Un autre avantage des modes de réalisation décrits est que leur mise en œuvre ajoute à la paire différentielle un bruit thermique et un bruit de scintillation supplémentaires très limités, au contraire du cas des résistances de dégradation Rs1, Rs2 de la . Cela est possible grâce au fait que la résistance de filtrage RF Rs est connectée en série avec la source de courant 106. La représente une paire différentielle selon un autre mode de réalisation. L'exemple de la est similaire à l'exemple de la , exception faite que, dans l'exemple de la , les transistors 102 et 104 sont remplacés par d'autres types de transistors tels que des transistors bipolaires, PNP, NPN, JFET ou autres. La source de courant 106 est par exemple mise en œuvre par un transistor du même type que les transistors 102 et 104. Dans ce cas, les transistors 102 et 104 sont alimentés respectivement par des entrées in- et in+, qui peuvent être des alimentations en tension ou en courant en fonction du type des transistors mis en œuvre. Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, l'élément résistif Rs et le transistor 508 de la pourraient être inversés comme dans l'exemple de la . De façon similaire, l'élément résistif Rs et le transistor 402 de la pourraient être inversés comme dans l'exemple de la . Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. En particulier, même si les modes de réalisation décrits en détail des figures 2 à 5 mentionnent des transistors MOS, la personne du métier saura prendre en compte tous les types de transistors, par exemple des transistors bipolaires, PNP, NPN, JFET ou d'autres types comme cela est décrit en . Paire différentielle (200, 300, 400, 500) comprenant : - une première et une deuxième branches ayant un premier nœud commun (NTAIL), chaque branche comprenant au moins un transistor ayant un nœud de conduction connecté directement audit premier nœud (NTAIL) ; - une troisième branche reliant ledit premier nœud à un nœud d'alimentation (NP), et comprenant une source de courant en série avec un élément résistif. Paire différentielle selon la revendication 1, dans laquelle ledit élément résistif a une valeur de résistance supérieure à 100 Ohms. Paire différentielle selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ledit élément résistif a une valeur de résistance supérieure à 1 kOhms. Paire différentielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'élément résistif est une résistance. Paire différentielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'élément résistif est un transistor MOS. Paire différentielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la source de courant est un transistor MOS. Paire différentielle selon la revendication 6, dans laquelle : - un premier nœud de conduction du transistor de la source de courant est connecté au nœud d'alimentation (NP) ; et - un deuxième nœud de conduction du transistor de la source de courant est relié, par ledit élément résistif, au premier nœud (NTAIL). Paire différentielle selon la revendication 6, dans laquelle : - un nœud de conduction du transistor de la source de courant est connecté au premier nœud (NTAIL) ; et - un autre nœud de conduction du transistor de la source de courant est relié, par ledit élément résistif, au nœud d'alimentation (NP). Paire différentielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le nœud d'alimentation (NP) est configuré pour être relié à la masse (GND). Paire différentielle selon la revendication 9, dans laquelle la source de courant est un transistor NMOS. Paire différentielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le nœud d'alimentation (NP) est configuré pour être relié au rail d'alimentation (VDD). Paire différentielle selon la revendication 11, dans laquelle la source de courant est un transistor PMOS. Paire différentielle selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, dans laquelle le transistor de chacune des première et deuxième branches a sa source connectée au premier nœud (NTAIL). Paire différentielle selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans laquelle le transistor de chacune des première et deuxième branches est un transistor PMOS. Paire différentielle selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle le transistor de chacune des première et deuxième branches est un transistor NMOS et a son drain connecté au premier nœud (NTAIL).