FR2782421A1 - Dispositif de generation d'une haute tension - Google Patents
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Abstract
Dans un dispositif de génération d'une haute tension comprenant un oscillateur 10 pour fournir des signaux d'horloge à un dispositif à pompe de charges 20 et un dispositif de régulation 30 pour fournir un signal de commande Run au dit oscillateur selon le niveau de la haute tension HV fournie en sortie du dispositif à pompe de charges 20 par rapport à un niveau de référence Ref, l'oscillateur comprend des moyens 50 de mise en forme en dents de scie des impulsions des dits signaux d'horloge.Application aux mémoires non volatile.
Description
DISPOSITIF DE GÉNÉRATION D'UNE HAUTE TENSION
La présente invention concerne un dispositif de génération d'une haute tension, du type utilisant un
dispositif à pompe de charges.
Les mémoires non volatiles du type mémoire eeprom et flash eprom utilisent une haute tension pour leur programmation, dont l'ordre de grandeur se situe généralement entre 10 et 20 volts. Dans un circuit intégré, cette haute tension est obtenue depuis la tension d'alimentation logique du circuit intégré, au moyen d'un dispositif de génération de haute tension comprenant un dispositif à pompe de charges. Ce dispositif comprend un dispositif de régulation du niveau de sortie pour obtenir un niveau déterminé,
fonction de l'application.
La régulation peut être réalisée au moyen d'un dispositif écrêteur en sortie du dispositif à pompe de charges. Ce dispositif écrêteur a cependant quelques inconvénients. En effet, beaucoup d'énergie est perdue
du fait de la puissance dissipée dans l'écrêteur.
L'écréteur doit aussi être apte à supporter une telle dissipation (il doit être suffisamment dimensionné, donc assez coûteux). En outre, comme il s'agit d'écrêtage, le dispositif à pompe de charges fonctionne
tout le temps. D'o une perte d'énergie supplémentaire.
Un autre moyen connu pour réaliser la régulation consiste en un circuit de comparaison du niveau de tension en sortie du dispositif à pompe de charges et le niveau d'une tension de référence. Si le niveau de sortie est supérieur au niveau de référence, le dispositif à pompe de charges est stoppé. Dans la littérature anglo-saxonne, ce type de régulation du dispositif à pompe de charges est appelé le mode go-no go. L'avantage majeur de ce type de régulation utilisant un comparateur est la grande efficacité du dispositif à pompe de charges, puisqu'il ne fonctionne pas en permanence: hors utilisation de la haute tension dans le circuit intégré, il est réactivé de temps en temps, pour maintenir le niveau en sortie au niveau de référence. Il est aussi réactivé quand la tension de programmation est effectivement utilisée, pour maintenir le niveau en sortie malgré la charge qui lui est alors appliquée (programmation de cellules
mémoire). La consommation d'énergie est donc optimum.
Par contre, avec une telle régulation, le niveau obtenu en sortie du dispositif à pompe de charges n'est pas parfaitement stable. Il oscille autour de la valeur de référence comme on va l'expliquer avec la
description d'un dispositif de génération d'une haute
tension de l'état de la technique représenté sur la
figure 1.
Il comprend un oscillateur 10, pour fournir deux signaux d'horloge 40 et /40 en opposition de phase, qui
sont utilisés par un dispositif à pompe de charges 20.
Ce dispositif à pompe de charges 20 fournit en sortie une haute tension HV. Cette haute tension est par exemple utilisée par des moyens 40 de programmation ou d'effacement d'une mémoire non volatile. Cette haute tension HV est aussi appliquée à un dispositif de régulation 30 qui fournit en sortie un signal de contrôle Run appliqué sur une entrée de validation En
de l'oscillateur.
La figure 2 montre un exemple détaillé de réalisation d'un tel dispositif de régulation de haute tension. Un oscillateur consiste habituellement en un
rebouclage d'un nombre impair d'inverseurs.
L'oscillateur 10 comprend de façon classique un étage de génération d'un signal d'horloge fi comprenant dans l'exemple un inverseur 11, suivi en série d'une résistance 12 et d'un trigger de Schmitt 13. En entrée du trigger de Schmitt 13, un condensateur 14 relié à la masse est prévu. La sortie Si du trigger de Schmitt est rebouclée sur l'entrée El de l'inverseur 11, à travers une porte logique 15 de type NON ET. Cette porte logique reçoit sur une autre entrée, le signal de contrôle Run, appliqué sur l'entrée de validation En de l'oscillateur. L'entrée E1 de l'inverseur 11 fournit le signal d'horloge fi. Ce signal d'horloge est appliqué en entrée d'un étage de sortie qui délivre les deux signaux d'horloge 40 et /40 en opposition de phase appliqués au dispositif à pompe de charges. Le signal d'horloge fi est ainsi appliqué à un premier inverseur 16 suivi en série d'un deuxième inverseur 17. La sortie du premier inverseur 16 délivre dans l'exemple le signal d'horloge /40 et la sortie du deuxième inverseur
17 délivre le signal d'horloge 0.
Le dispositif à pompe de charges est dans l'exemple un multiplieur de type Schenkel, comprenant de manière bien connues n+l diodes DO à Dn en série, la première ayant son anode connectée à Vcc et la dernière fournissant en sortie la haute tension HV, un condensateur de sortie Cout étant prévu entre la sortie de haute tension HV et la masse. Le multiplieur comprend aussi n condensateurs C1 à Cn, commandés par les signaux d'horloge 40 et /40. Chaque condensateur a ainsi une première borne connectée entre deux diodes successives et une deuxième borne reliée à un des signaux d'horloge. Dans l'exemple les condensateurs Cl, C3,...Cn ont leur borne reliée au signal d'horloge 40, tandis que les condensateurs C2, Cn-l ont leur borne
reliée au signal d'horloge en opposition de phase /40.
Ce dispositif à transfert de charges est très largement
connu et utilisé.
Le dispositif de régulation 30 comprend dans l'exemple une branche comportant une diode zener 31 et une résistance 32 connectées en série entre la sortie de haute tension HV du dispositif à pompe de charges 20 et la masse. Un inverseur 33 connecté en entrée au point de connexion 34 (appelé dans la suite point milieu de la branche du dispositif de régulation), entre la diode 31 et la résistance 32, fournit en
sortie le signal de commande Run.
La diode 31 a une tension zener par exemple égale à 18 volts. C'est cette tension zener qui dans l'exemple fournit le niveau de tension de référence Ref du dispositif de régulation. Quand la haute tension HV excède ce niveau de référence de 18 volts, le courant dans la diode augmente et la tension au point milieu tend à monter (la tension aux bornes de la diode zener reste constante). En sortie de l'inverseur 33 du dispositif de régulation 30, le signal Run passe donc à 0, ce qui désactive l'oscillateur 10. Tant que la haute tension HV reste inférieure au niveau de référence, le courant dans la branche du dispositif de régulation est très faible et la tension au point milieu 34 est proche de zéro. Le signal Run passe alors à 1, ce qui active l'oscillateur. Les signaux mis en oeuvre dans un tel dispositif de génération d'une haute tension sont représentés sur la figure 3. Sur cette figure, on a l'évolution en fonction du temps, depuis la mise sous tension du dispositif de génération de la haute tension, des signaux d'horloge 40 et /40, du signal de commande Run et du signal de haute tension HV en sortie du
dispositif à pompe de charges.
On voit ainsi la montée progressive du niveau en sortie HV du dispositif à pompe de charges, jusqu'au dépassement du niveau de référence Ref du dispositif de régulation. Tant que la haute tension n'a pas atteint
le niveau de référence Ref, le signal Run reste à un.
L'oscillateur reste activé et fournit les signaux
d'horloge 40 et /60.
Quand le niveau de sortie HV dépasse le niveau de référence Ref, le dispositif de régulation le détecte et désactive l'oscillateur (signal Run). On voit sur la figure 3 qu'à cette désactivation correspond le gel des signaux d'horloge 40 et /60, qui restent dans un état donné. Dans l'exemple, sur la figure 6, on voit qu'à la première occurrence o le signal Run passe à zéro, 40
reste au niveau haut et /40 reste au niveau zéro.
Le dispositif à pompe de charges ne peut donc plus fonctionner. Le niveau de la tension de sortie HV va alors progressivement baisser, soit du fait de fuites de courant, soit du fait de l'activation d'un circuit de programmation d'une mémoire (connexion d'une charge). Ce niveau va donc repasser sous le niveau de référence, Ref. L'oscillateur est alors redéclenché, et le niveau en sortie du dispositif à pompe de charges va
remonter.
Quand le dispositif de régulation a déterminé que le niveau de la haute tension HV est supérieur au niveau de référence, l'oscillateur est désactivé. Mais cette désactivation n'intervient qu'après le temps de réaction du circuit de régulation. On peut très bien avoir eu dans le laps de temps un front descendant et/ou un front montant sur les signaux d'horloge 40 et /40. Comme les impulsions de ces signaux d'horloge sont de forme rectangulaire, c'est à dire avec des fronts très raides, la variation d'amplitude sur ces signaux d'horloge est instantanée. En outre les signaux d'horloge sont seulement gelés par la désactivation de l'oscillateur, c'est à dire qu'ils restent chacun dans un niveau haut ou bas. Le transfert de charges dans le dispositif à pompe de charges n'est donc pas immédiatement stoppé. La tension en sortie continue donc de monter pendant un certain temps, dépassant le niveau de référence. D'o l'amplitude de l'oscillation du niveau de la haute tension de sortie: l'arrêt de la pompe n'étant pas immédiat, on s'éloigne un peu plus de la valeur de référence. Pour réduire cette oscillation, il ne suffit pas de ramener les signaux de phase à zéro, pour empêcher un transfert de charges pendant le temps de réaction du dispositif de régulation. En effet, on a vu que, les fronts de montée des impulsions (de forme rectangulaire) des signaux d'horloge étant très raides, quand le niveau HV en sortie du dispositif à pompe de charges atteint le niveau de référence Ref, les signaux de phase atteignent leur amplitude maximale avant que le dispositif de régulation n'ait pu réagir. Ainsi, même si on ramène ensuite les signaux de phase à zéro, le transfert de charges aura continué pendant le temps de réaction du dispositif de régulation, et le niveau en sortie aura largement dépassé le niveau de
référence.
Un objet de l'invention est de trouver un moyen pour limiter le transfert de charges dans le dispositif à pompe de charges pendant le temps de réaction du
dispositif de régulation.
Une solution à ce problème technique a été trouvée en utilisant des moyens pour fournir des signaux d'horloge en dents de scie au dispositif à pompe de charges. Les impulsions en dents de scie ayant une montée en tension selon une rampe, la tension en sortie de la pompe ne pourra varier que lentement, suffisamment lentement pour que le temps de réaction du
dispositif de régulation devienne négligeable.
Telle que caractérisée, l'invention concerne donc un dispositif de génération d'une haute tension comprenant un oscillateur pour fournir des signaux d'horloge à un dispositif à pompe de charges pour fournir une haute tension en sortie et un dispositif de régulation pour délivrer un signal de commande au dit oscillateur selon le niveau de la haute tension par rapport à un niveau de référence. Selon l'invention, ledit oscillateur comprend des moyens de mise en forme en dents de scie des impulsions des dits signaux d'horloge. La forme en dents de scie des impulsions d'horloge entraîne une montée en tension en sortie HV du dispositif à pompe de charges suffisamment lente pour que, lorsque le niveau de référence est atteint en sortie, le transfert de charge supplémentaire dû au temps de réaction du dispositif de régulation soit négligeable. D'autres caractéristiques et avantages de
l'invention sont détaillés dans la description suivante
faite à titre indicatif et nullement limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels:
- la figure 1 déjà décrite représente un schéma-
bloc général d'un dispositif de génération de haute tension de l'état de la technique; - la figure 2 déjà décrite est un schéma détaillé d'un mode de réalisation de ce dispositif; - la figure 3 déjà décrite représente un diagramme temporel des signaux mis en oeuvre dans le dispositif de la figure 2; - la figure 4 représente un schéma-bloc général d'un dispositif de génération de haute tension selon l'invention; - la figure 5 est un schéma détaillé d'un mode de réalisation de ce dispositif; et - la figure 6 représente un diagramme temporel des signaux mis en oeuvre dans le dispositif de la
figure 5.
Les éléments communs aux figures portent les mêmes références. La figure 4 représente un schéma-bloc d'un dispositif de génération de la haute tension selon l'invention. Dans ce dispositif de génération selon l'invention, l'oscillateur 10 comprend des moyens 50 de mise en forme en dents de scie des impulsions des signaux d'horloge appliqués au dispositif à pompe de charges 20. Ainsi, le front de montée des impulsions appliquées au dispositif à pompe de charges suit une rampe de tension. Dans l'exemple non limitatif représenté, deux signaux d'horloge en opposition de phase doivent être
appliqués au dispositif à pompe de charges.
Les moyens 50 de mise en forme en dents de scie remplacent l'étage de sortie de l'état de la technique
vu à la figure 2, avec ses deux inverseurs 16 et 17.
Ces moyens 50 délivrent donc en sortie des signaux d'horloge 41 et /41 avec des impulsions en dents de
scie.
Dans un mode de réalisation de l'invention, ces moyens 50 de mise en forme des signaux d'horloge comprennent un générateur de rampe par signal d'horloge à délivrer. Dans l'exemple o deux signaux d'horloge en opposition de phase sont à délivrer en sortie, on a ainsi un premier générateur de rampe 51 et un deuxième générateur de rampe 52. Ces générateurs sont commandés dans l'exemple respectivement par le signal d'horloge fi obtenue au noeud E1 de l'oscillateur, en entrée de l'inverseur 11 (Figure 5). Ils fournissent chacun respectivement en sortie un premier et un deuxième signal d'horloge transformé, respectivement 41, /41, qui sont appliqués en entrée du dispositif à pompe de charges 20. De préférence, et comme représenté sur la figure 4, on prévoit d'appliquer le signal de commande Run à chacun des générateurs de rampe, pour commander le plus rapidement possible le retour à zéro des signaux d'horloge 41 et /41, quand le signal Run passe à zéro. La figure 5 représente un schéma détaillé d'un exemple de réalisation selon l'invention, avec ces générateurs de rampe 51 et 52. Ces générateurs de rampe représentés sur la figure 5 ne sont qu'un exemple de
réalisation parmi d'autres possibles.
Le signal d'horloge fi disponible au noeud E1 de l'oscillateur est appliqué directement en entrée du générateur de rampe 52 qui fournit le deuxième signal d'horloge transformé /41. Ce signal fi est aussi appliqué en entrée du générateur de rampe 51, à travers une porte logique inverseuse 18. Dans l'exemple, c'est une porte de type NON ET à deux entrées, une entrée pour le signal d'horloge Xi et l'autre entrée pour le signal de validation de l'oscillateur, Run. Cette porte inverseuse 18 fournit en sortie un signal 4j, qui est appliqué en entrée du générateur de rampe 51. Ce générateur de rampe 51 fournit le premier signal
d'horloge transformé 41.
Les générateurs de rampe 51 et 52 sont identiques.
Ils comprennent deux transistors MOS T1 et T2 en série entre la tension d'alimentation Vcc et la masse. Dans l'exemple, le transistor T1 est de type P et le transistor T2 est de type N. La source du transistor T1 est connectée à la tension d'alimentation Vcc et son drain est connecté au drain du transistor T2. La source du transistor T2 est connectée à la masse. La sortie 4j de la porte NON ET 18 est appliquée sur la grille du transistor T1 à travers une résistance RI, et directement sur la grille du transistor T2. Enfin, un condensateur C51 est connecté entre la grille et le drain du transistor Tl. Le point de connexion entre les deux drains des transistors T1 et T2 fournit le noeud de sortie du générateur de rampe. Ce noeud de sortie est référencé S51 pour le générateur de rampe 51, et
fournit le premier signal d'horloge transformé 1.
Le deuxième générateur de rampe 52 est de même constitution. Il reçoit en entrée le signal Xi fournit par le noeud El. Le noeud de sortie du générateur de rampe 52 est référencé S52 et fournit le deuxième
signal d'horloge transformé /1.
Le fonctionnement de ces générateurs de rampe 51 et 52 est particulièrement simple. Prenons par exemple le générateur de rampe 51. Quand le signal 4j est à 0, le transistor T1 est passant et le transistor T2 est
bloqué. Le condensateur se charge à courant constant.
La tension au noeud de sortie S51 croît linéairement.
Quand le signal 4j passe à 1, le transistor T1 se bloque, tandis que le transistor T2 devient passant et saturé. Il décharge le condensateur. Le noeud de sortie S51 est donc tiré à zéro. Le transistor T2 est dimensionné pour que la décharge soit particulièrement rapide. Les signaux obtenus sont représentés sur la
figure 6.
On y voit la forme en dents de scie des impulsions des signaux d'horloge 41 et /41 utilisés dans l'invention pour commander le dispositif à pompe de charges. Pour chaque impulsion, on a une montée en tension selon une rampe suivie d'une descente très raide. Quand le signal de validation Run passe à zéro, on voit que le signal d'horloge 41 est stoppé dans sa montée en tension et ramené à zéro. Ainsi, du fait de la forme en dents de scie des impulsions d'horloge utilisées dans le dispositif à pompe de charges, le niveau de la haute tension HV n'a donc pas le temps de monter beaucoup au dessus du niveau de référence pendant le temps de réaction du dispositif de régulation. On remarquera qu'en entrée du générateur de rampe 51, on aurait pu avoir simplement un inverseur comme porte logique 18. D'ailleurs, sur la figure 4 on a représenté un inverseur en entrée du générateur de rampe 51. Le fait d'utiliser une porte logique NON ET en entrée du générateur de rampe 51 permet d'y appliquer le signal de commande Run et donc de ramener à zéro le signal d'horloge 1 dés que le signal de
commande Run passe à zéro, sans passer par le signal fi.
De cette manière, le temps de réaction est le même que pour l'autre générateur 52: dans les deux cas, pour chaque générateur, on ne passe que par une porte logique pour appliquer le signal de commande Run, la porte 15 pour le générateur 52 et la porte 18 pour le
générateur 51.
La forme en dents de scie des impulsions appliquées au dispositif de pompe de charges selon l'invention, permet donc d'obtenir une très faible variation d'amplitude du niveau de la haute tension HV autour de la valeur de référence, comme on peut le voir sur la
figure 6.
La comparaison de la variation de la haute tension obtenue avec un dispositif de l'état de la technique utilisant les impulsions rectangulaires habituelles, représentée sur la figure 3, et celle que l'on obtient avec un dispositif selon l'invention, représentée sur cette figure 6 montre bien tout l'avantage qu'il y a à
mettre en oeuvre l'invention.
Claims (4)
1. Dispositif de génération d'une haute tension comprenant un oscillateur (10) pour fournir des signaux d'horloge à un dispositif à pompe de charges (20) et un dispositif de régulation (30) pour fournir un signal de commande (Run) au dit oscillateur selon le niveau de la haute tension (HV) fourni en sortie du dispositif à pompe de charges (20) par rapport à un niveau de référence (Ref), caractérisé en ce que ledit oscillateur (10) comprend des moyens (50) de mise en forme en dents de scie des impulsions des dits signaux d'horloge.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dits moyens comprennent un générateur de rampe de tension (51, 52) par signal d'horloge à délivrer.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal de commande Run est appliqué à chaque générateur de rampe au moyen d'une porte logique (15, 18) pour commander le retour à zéro des signaux
d'horloge (41, /41).
4. Circuit intégré comprenant au moins une mémoire non volatile et des moyens (40) de programmation ou d'effacement de cette mémoire, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de génération d'une haute
tension selon l'une quelconque des revendications 1 à
3.
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