CIRCUIT DE REFERENCE DE TENSION

L’invention se rapporte au domaine des circuits de référence de tension utilisés dans les circuits intégrés.

L’invention concerne en particulier un circuit de référence de tension présentant une structure plus compacte et permettant de fournir une référence de tension constante même lorsque la source d’alimentation, la température ou les paramètres des composants varient.

ETAT DE LA TECHNIQUE

De manière classique, les circuits de référence de tension sont des circuits qui fournissent une tension de référence stable et constante dans le temps. Il est d’ailleurs recherché d’obtenir une tension de référence insensible aux variations de certains paramètres.

A titre d’exemple, ces paramètres sont par exemple la tension d’alimentation, la température, les dispersions de fabrication ou encore le vieillissement des composants.

En particulier, on retrouve souvent des transistors dans les circuits de référence de tension. Or, les paramètres d’un transistor donné peuvent grandement varier en fonction de leur processus de fabrication. Plus encore, deux transistors résultant du même processus de fabrication peuvent être largement différents en fonction du positionnement qu’ils ont sur la plaque de semiconducteur ayant servi à leur fabrication.

L’un de ces paramètres est la valeur seuil de tension à partir de laquelle un canal se forme entre le drain et la source d’un transistor donné. Cette valeur minimum est celle à appliquer entre la grille et la source, afin de conduire un courant électrique entre le drain et la source dudit transistor donné. Ce paramètre peut varier jusqu’à 50% d’un transistor à un autre, ce qui peut entrainer une perte de stabilité de la référence de tension du circuit.

Un circuit de référence de tension comporte généralement deux types de transistors : les transistors à appauvrissement et les transistors à enrichissement.

Tel qu’illustré sur la figure 1 de l’art antérieur, un transistor à appauvrissement 2005 est communément symbolisé avec un trait continu reliant le drain, la source et la base. Un transistor à enrichissement 2025 est communément symbolisé avec une ligne discontinue reliant le drain, la source et la base.

A titre d’exemple, tel qu’illustré à la figure 1 extraite du document US 9,647.476 B2, un circuit de référence de tension 2000 comporte généralement un transistor à appauvrissement 2005 dont le drain est connecté à une source de tension V+ et dont la source est connectée avec huit transistors à enrichissement 2025 en série. Chaque transistor à enrichissement 2025 a sa grille reliée à son drain et le dernier transistor à enrichissement de la série a sa source connectée à la masse. La grille du transistor à appauvrissement 2005 est également connectée à la masse. La tension de référence Vref est mesurée entre un point situé entre un condensateur 2015 et la source d’un transistor à enrichissement 2055 dont la grille est connectée entre le sixième et le septième transistor à appauvrissement de la série.

Dans cette configuration, le circuit de référence de tension 2000 permet d’obtenir une consommation faible en courant, typiquement inférieure à 1 pA. Cependant, un tel circuit ne permet pas d’atteindre de hautes valeurs de tension de référence. En outre, ce type de montage est sensible aux variations de paramètres des transistors, et notamment la tension de référence présente des instabilités.

Selon un autre exemple, la publication « A 23.6ppm/°C Monolithically Integrated GaN Reference Voltage Design with Temperature Range from -50°C to 200°C and Supply Voltage Range from 3.9 to 24V » de Cheng-Hsing Liao et al. décrit plusieurs modes de réalisation de circuits de référence de tension.

La figure 2 illustre l’un de ces modes de réalisation, dans lequel le circuit de référence de tension comporte une première branche incluant un transistor à appauvrissement QD1 dont le drain est connecté à une source de tension VDD, dont la source est connectée à une première borne d’une résistance RI et dont la grille est connectée à la seconde borne de la résistance RI.

La seconde borne de la résistance RI est également connectée au drain d’un transistor à enrichissement QE2, dont la source est connectée à la masse.

Le circuit de référence de tension de la figure 2 comporte également une seconde branche incluant un premier transistor à enrichissement QE4 dont le drain est connecté à la source de tension VDD et dont la source est connectée à une première borne d’une résistance R2.

La seconde borne de la résistance R2 est connectée au drain d’un second transistor à enrichissement QE3, dont la grille est connectée à son drain et dont la source est connectée à la masse.

Les première et seconde branches sont interconnectées de sorte que la grille du transistor à appauvrissement QD1 de la première branche est connecté à la grille du premier transistor à enrichissement QE4 de la seconde branche. De plus, la grille du transistor à enrichissement QE2 de la première branche et connecter à la grille du transitoire à enrichissement QE3 de la seconde branche, de sorte à former un miroir de courant.

La tension de référence Vref est prise au niveau de la source du transistor à enrichissement QE4.

La figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation décrit dans la publication de Cheng- Hsing Liao et al. citée plus haut. Le circuit présente la même architecture que celle décrite à la figure 2. Le circuit comporte cependant des composants supplémentaires. La première branche comporte un transistor à enrichissement supplémentaire QE5, dont le drain est connecté à la source du transistor à enrichissement QE2 et dont la source est connectée à la masse.

La seconde branche comporte une résistance supplémentaire R2 connectée entre la résistance R2 et le drain du transistor à enrichissement QE2 et un transistor à enrichissement supplémentaire QE6, dont le drain est connecté à la source du transistor à enrichissement QE3 et dont la source est connectée à la masse. La grille du transistor QE6 est connectée d’une part à la grille du transistor QE5 et d’autre part au drain du transistor QE3.

La figure 4 illustre un autre circuit de référence de tension décrit dans la publication de Cheng-Hsing Liao et al. citée plus haut, dans lequel le circuit de référence de tension comportant une première branche incluant un premier transistor à appauvrissement QSG,D1 dont le drain est connecté à une source de tension VDD, dont la source est connectée à une première borne d’une première résistance RSG1 et dont la grille est connectée à la seconde borne de la première résistance RSG1. La première branche inclut également un second transistor à appauvrissement QSG,D3, dont le drain est connecté à la seconde borne de la première résistance RSG1, dont la source est connectée à une première borne d’une seconde résistance RSG2 et dont la grille est connectée à la seconde borne de la résistance RSG2.

Le drain du second transistor à appauvrissement QSG,D3 est également connecté au drain d’un transistor à enrichissement QSG,E1, dont la source est connectée à la masse.

Le circuit de la figure 4 inclut également une seconde branche comportant un premier transistor à appauvrissement QSG,D2 dont le drain est connecté à la source de tension VDD. Le premier transistor à appauvrissement QSG,D2 est connecté, par sa source, au drain d’un second transistor à appauvrissement QSG,D4. La source du second transistor à appauvrissement QSG,D4 est connectée à une première borne d’une troisième résistance RREF, dont la seconde borne est connectée au drain d’un transistor à enrichissement QSG,E2. La source du transistor à enrichissement QSG,E2 est connectée à la masse, tandis que la grille du transistor à enrichissement QSG,E2 est connectée à son drain.

Les première et seconde branches sont connectées entre-elles au niveau des transistors à appauvrissement QSG,D1 et QSG,D2, dont les grilles sont reliées. De même, les transistors à appauvrissement QSG,D3 et QSG,D4 ont leurs grilles connectées. Enfin, les grilles des transistors à enrichissement QSG,E1 et QSG,E2 sont également connectées entre-elles. La tension de référence Vref est prise au niveau de la source du transistor à appauvrissement QSG,D4.

Bien qu’étant plus stables que le circuit de la figure 1, les circuits décrits aux figures 2 à 4 comportent des résistances RI, RSG1, RSG2 utilisées pour fixer le courant. Cette méthode est usuellement très efficace du fait du comportement linéaire de la résistance. Cependant, pour limiter la consommation énergétique, ces résistances doivent être suffisamment grandes, ce qui signifie qu’elles occupent également une grande surface de semiconducteur. Ainsi, il est difficile d’incorporer de telles résistances dans des circuits intégrés, d’autant plus lorsqu’il est recherché d’en limiter au maximum la surface.

Le problème que se propose de résoudre l’invention est d’obtenir un circuit de référence de tension stable, notamment vis-à-vis des variations de procédé de fabrication des transistors, tout en limitant la consommation du circuit, ainsi que la place qu’il occupe.

EXPOSE DE L’INVENTION

Pour résoudre ce problème, le Demandeur a mis au point un circuit de référence de tension comportant :

- une première branche comprenant :

• un premier transistor de tête à appauvrissement dont le drain est connecté à une source de tension,

• un premier transistor de pied à enrichissement dont la source est connectée à la masse, dont le drain est connecté, d’une part, à la grille du transistor de tête, et d’autre part à la grille dudit transistor de pied, et

• un dipôle dont une première borne est connectée à la source du transistor de tête et dont la seconde borne est connectée au drain du transistor de pied, et

- une seconde branche comprenant : • un second transistor de tête à appauvrissement dont le drain est connecté à la source de tension, dont la source est connectée au drain d’un troisième transistor à appauvrissement et dont la grille est connectée à la source dudit troisième transistor à appauvrissement, et

• un second transistor de pied à enrichissement dont la source est connectée à la masse et dont le drain est connecté à la source du troisième transistor à appauvrissement, la source du premier transistor de tête de la première branche étant connectée à la grille du troisième transistor à appauvrissement de la seconde branche, les grilles du premier transistor de pied de la première branche et du second transistor de pied de la seconde branche étant connectée de sorte à former un miroir de courant, la tension de référence étant fournie au niveau de la source du second transistor de tête de la seconde branche.

Un tel circuit présente très peu de composants en comparaison du circuit de l’art antérieur de la figure 1. En comparaison des circuits des figures 2 à 4, le circuit de l’invention comporte sensiblement le même nombre de composants et, dans une variante, peut avantageusement ne comporter aucune résistance. Il occupe ainsi une surface moindre en comparaison de l’art antérieur et est plus facile à intégrer dans des circuits aux dimensions réduites. De plus, moins de parasites, lié à l’ interactions des composants entre eux, apparaissent sur le signal de référence de tension, du fait du nombre limité de composants. En plus d’être plus compact, le circuit de l’invention présente des performances améliorées par rapport aux circuits de l’art antérieur, notamment au niveau de la stabilité en température.

Selon un premier mode de réalisation, le dipôle est un transistor à enrichissement dont le drain est connecté, d’une part, à la grille dudit transistor à enrichissement, et d’autre part, à la première borne du dipôle, et dont la source est connectée à la seconde borne du dipôle.

Un transistor dont la grille est connectée à son drain se comporte quasiment comme une diode. Le dimensionnement du transistor n’a en principe pas d’incidence importante sur la valeur de la référence de tension. Cependant, le dimensionnement peut être adapté afin de limiter la consommation énergétique du circuit de référence de tension.

Ce mode de réalisation est le plus simple. Le circuit ne comprend que trois transistors à appauvrissement et quatre transistors à enrichissement, soit sept composants au total. Un tel circuit est donc particulièrement aisé à mettre en œuvre dans des circuits intégrés aux dimensions réduites.

Selon un deuxième mode de réalisation, le dipôle comporte n transistors à enrichissement, chacun desdits transistors à enrichissement ayant sa grille connectée à son drain, lesdits transistors à enrichissement étant connectés en série, deux transistors consécutifs étant connectés par la source de l’un et le drain de l’autre et, le drain du premier transistor formant la première borne du dipôle et la source du dernier transistor formant la seconde borne du second dipôle.

Le nombre de transistors à enrichissement montés en diode contenus dans le dipôle est choisi de sorte à réaliser un compromis entre consommation énergétique et surface occupée. En effet, plus le nombre de transistors à enrichissement montés en diode est important et plus la consommation énergétique du circuit est abaissée, mais à l’inverse, le circuit occupe alors plus de place.

Selon un mode de réalisation privilégié, le dipôle comporte trois transistors à enrichissement.

Ce mode de réalisation représente un compromis intéressant entre consommation énergétique et surface occupée. Dans ce mode de réalisation, le circuit de référence de tension comporte un ratio du nombre de transistors à appauvrissement sur le nombre de transistors à enrichissement sensiblement égal à deux, ce qui permet de compenser les variations de la valeur seuil définie précédemment. En effet, pour des transistors à canal N, les transistors à appauvrissement présentent une valeur seuil négative, tandis que les transistors à appauvrissement présentent une valeur seuil positive. En outre, la valeur absolue de la valeur seuil d’un transistor à enrichissement est sensiblement égale au double de la valeur seuil d’un transistor à appauvrissement. Ainsi, un transistor à enrichissement permet de compenser une paire de transistors à appauvrissement. Les valeurs seuil se compensent, voire s’annulent, ce qui permet de limiter les effets délétères sur la valeur de la tension de référence.

En pratique, l’invention trouve une application particulièrement avantageuse pour les transistors pour lesquels il n’existe pas de transistor complémentaire, c’est-à-dire lorsqu'une seule polarité existe, comme le type N dans le GaN, avec la double possibilité de dispositifs à enrichissement et à déplétion, tels que les transistors de type GaN, ou les transistors NMOS. Cependant l'invention est aussi valable pour des technologies à transistors complémentaires comme les transistors bipolaires NPN ou PNP et les transistors CMOS de type N ou P.

DESCRIPTION DES FIGURES

La manière de réaliser l’invention, ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l’appui des figures annexées dans lesquelles :

[Fig 1] La figure 1 est un premier schéma électrique d’un circuit de référence de tension de l’art antérieur,

[Fig 2] La figure 2 est un deuxième schéma électrique d’un circuit de référence de tension de l’art antérieur,

[Fig 3] La figure 3 est un troisième schéma électrique d’un circuit de référence de tension de l’art antérieur,

[Fig 4] La figure 4 est un quatrième schéma électrique d’un circuit de référence de tension de l’art antérieur,

[Fig 5] La figure 5 est un schéma électrique du circuit de référence de tension selon un premier mode de réalisation de l’invention,

[Fig 6] La figure 6 est un schéma électrique du circuit de référence de tension selon un deuxième mode de réalisation de l’invention,

[Fig 7] La figure 7 est un schéma électrique du circuit de référence de tension selon un troisième mode de réalisation de l’invention, [Fig 8] La figure 8 est un tableau comparatif des performances des circuits de référence de l’état de la technique des figures 2 à 4 et du circuit de l’invention illustré à la figure 5.

[Fig 9] La figure 9 est un graphique comparatif de l’évolution de la tension de référence en fonction de la température pour le circuit de l'invention illustré à la figure 5 et pour le circuit de l'état de la technique de la figure 4, et

[Fig 10] La figure 10 est un graphique comparatif de l’évolution de la tension de référence en fonction de la tension d’alimentation pour des transistors théoriquement identiques mais dont les paramètres intrinsèques diffèrent à cause des tolérances de fabrication, pour le circuit de l’invention illustré à la figure 5 et pour le circuit de l'état de la technique de la figure 4.

DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION

Tel qu’illustré sur les figures 5 à 7, le circuit de référence de tension de l'invention comporte deux branches 101, 102.

La première branche 101 comporte un premier transistor de tête à appauvrissement Ml dont le drain est connecté à une source de tension Vcc. La source de tension Vcc fournit de préférence une tension continue pouvant varier en fonction du courant fournit ou en fonction du temps, et par exemple comprise entre 4 et 12 V.

La première branche 101 comporte également un premier transistor de pied à enrichissement M3 dont la source est connectée à la masse.

Les deux premiers transistors de tête Ml et de pied M3 sont reliés l’un à l’autre par l’intermédiaire d’un dipôle DI, Dll, D21 présentant avantageusement un comportement résistif, linéaire ou non. A titre d’exemple, le dipôle DI, Dll, D21 est soit une résistance, soit une diode, soit un transistor monté en diode, comportant deux bornes Ql, Qll, Q21 et Q2, Q12, Q22. Le dipôle DI, Dll, D21 permet de polariser le transistor de tête Ml. Ainsi, le premier transistor de tête Ml est connecté, par sa source, à la première borne Ql, Qll, Q21 du dipôle DI, Dll, D21, tandis que le premier transistor de pied M3 est connecté, par son drain, à la seconde borne Q2, Q12, Q22 du dipôle DI, Dll, D21.

En outre, le drain du premier transistor de pied M3 est également connecté, d’une part, à la grille du premier transistor de tête Ml, et d’autre part, à sa propre grille.

Dans le mode de réalisation de la figure 5, le dipôle DI correspond à un transistor à enrichissement M2, monté en diode, c’est-à-dire que sa grille est connectée à son drain. Ainsi, le drain du transistor à enrichissement M2 correspond à la première borne Ql du dipôle DI et la source du transistor à enrichissement M2 correspond à la seconde borne Q2 du dipôle Dl.

Dans le mode de réalisation de la figure 6, le dipôle DU correspond à trois transistors à enrichissement M21, M22, M23 connectés en série. Les trois transistors M21, M22, M23 sont montés en en diode. Ainsi, le drain du transistor à enrichissement M21 correspond à la première borne Qll du dipôle DU. La source du transistor à enrichissement M21 est connecté au drain du transistor à enrichissement M22 et la source du transistor à enrichissement M22 est connectée au drain du transistor à enrichissement M23. Enfin, la source du transistor à enrichissement M23 correspond à la seconde borne Q12 du dipôle DU.

Dans le mode de réalisation de la figure 7, le dipôle D21 correspond à n transistors à enrichissement M31-M3n connectés en série. Chaque transistor à enrichissement M31- M3n est monté en en diode. Ainsi, le drain du transistor à enrichissement M31 correspond à la première borne Q21 du dipôle D21 et la source du transistor à enrichissement M3n correspond à la seconde borne Q22 du dipôle D21. Deux transistors consécutifs sont connectés par la source de l’un et le drain de l’autre.

La seconde branche 102 comporte un second transistor de tête à appauvrissement M4, dont le drain est connecté à la source de tension Vcc.

La seconde branche 102 comporte également un second transistor de pied à enrichissement M7, dont la source est connectée à la masse. Les seconds transistors de tête M4 et de pied M7 sont reliés entre eux par l’intermédiaire d’un troisième transistor à appauvrissement M5.

Ainsi, le troisième transistor à appauvrissement M5 est connecté, par son drain, à la source du second transistor de tête M4, et par sa source, au drain du second transistor de pied M7.

Les première et seconde branches 101, 102 sont interconnectées à deux endroits.

En effet, la source du premier transistor de tête Ml, de la première branche 101 est connectée à la grille du troisième transistor à appauvrissement M5 de la seconde branche 102.

De même, les grilles des premier et second transistors de pied M3 et M7 sont connectées entre-elles, de sorte à former un miroir de courant. Ainsi, le courant traversant le premier transistor de pied M3 est recopié dans le second transistor de pied M7.

La valeur de référence de tension Vref est mesurée au niveau de la source du second transistor de tête M4 et par rapport à la masse.

Les transistors peuvent appartenir à la catégorie des transistors N de type GaN ou MOS. Ces catégories de transistors peuvent présenter une valeur seuil négative, ce qui permet de compenser les variations de processus de fabrication, également appelés « corner » dans la littérature anglo saxonne.

La figure 8 illustre un tableau comparatif des performances des circuits de référence de tension des figures 2 à 4 et du circuit de l’invention de la figure 5.

Ainsi, on remarque dans un premier temps que la surface occupée par les circuits de l’art antérieur est environ 20 fois supérieure à la surface occupée par le circuit de l’invention. Le circuit de l’invention est donc très compact, pour des performances comparables, voire améliorée sur certains points. En effet, le circuit de l’invention consomme un courant maximal plus faible que les circuits de l’art antérieur, typiquement égal à IpA.

En outre, le circuit de l’invention présente une plus faible variation vis-à-vis de la température en comparaison des circuits de l’état de la technique. Des mesures ont été réalisées par le Demandeur afin de comparer les performances obtenues entre le circuit de l’invention et un circuit de l’état de la technique.

Tel qu’illustré sur la figure 9, entre 25 et 150°C, la tension de référence de l’invention 91 varie d’environ 1%, tandis que la tension de référence 92 du circuit de l’art antérieur de la figure 4 varie d’environ 11,9%. La sensibilité à la température du circuit de l’invention est donc abaissée d’un facteur 12 et le circuit est plus robuste.

Le circuit de référence de tension obtenu est par ailleurs peu sensible aux fluctuations de la tension d'alimentation, de la température et des variations de procédé de fabrication des transistors.

La figure 10 compare les variations de la tension de référence Vref pour des transistors théoriquement identiques, mais dont les paramètres intrinsèques diffèrent à cause des tolérances de fabrication.

Pour le circuit de l’état de la technique 93-95 illustré à la figure 4, on remarque que pour une tension d’alimentation supérieure à 4V, la tension de référence Vref mesurée pour les transistors varie de 12.4%, tandis que pour le circuit de l’invention 96-98 illustré à la figure 5, elle varie de 5.4%, plus de deux fois moins.

Pour conclure, l’invention permet d’obtenir un circuit de référence de tension stable, notamment vis-à-vis des variations de procédé de fabrication des transistors et de la température, tout en limitant la consommation du circuit, ainsi que la place qu’il occupe.