FR3113344A1

FR3113344A1 - Circuit convertisseur de niveaux

Info

Publication number: FR3113344A1
Application number: FR2008274A
Authority: FR
Inventors: Etienne Cesar
Original assignee: STMicroelectronics Grenoble 2 SAS
Current assignee: STMicroelectronics Grenoble 2 SAS
Priority date: 2020-08-04
Filing date: 2020-08-04
Publication date: 2022-02-11
Also published as: US11757448B2; US12249986B2; CN114070300A; US20220045665A1; US20230378957A1

Abstract

Circuit convertisseur de niveaux La présente description concerne un circuit convertisseur de niveaux (10) adapté à être alimenté en courant par un courant proportionnel à la température (Itemp). Figure pour l'abrégé : Fig. 1

Description

Circuit convertisseur de niveaux

La présente description concerne de façon générale les dispositifs et circuits électroniques. La présente description s'applique plus particulièrement à la réalisation d'un circuit convertisseur de niveaux d'un signal analogique.

Un signal analogique peut permettre de transmettre des informations binaires. Pour cela, les informations sont représentées par le niveau de tension du signal. Le signal représente un "1" logique si la tension est supérieure à un premier niveau de tension : le seuil haut, et représente un "0" logique si la tension est inférieure à un deuxième niveau de tension : le seuil bas.

Un circuit convertisseur de niveaux est un circuit utilisé pour décaler les niveaux de tension, donc les seuils haut et bas, utilisés par un signal analogique pour représenter des informations binaires.

Il serait souhaitable de pouvoir améliorer, au moins en partie, certaines aspects des circuits convertisseur de niveaux connus.

Il existe un besoin pour des circuits convertisseurs de niveaux plus performants.

Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des circuits convertisseurs connus.

Un mode de réalisation prévoit un circuit convertisseur de niveaux adapté à être alimenté en courant par un courant proportionnel à la température.

Selon un mode de réalisation, le circuit comprend un premier circuit inverseur comprenant un premier transistor d'un premier type et un deuxième transistor d'un deuxième type.

Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième transistors sont des transistors MOS.

Selon un mode de réalisation, le premier transistor est un transistor MOS de type N, et le deuxième transistor est un transistor MOS de type P.

Selon un mode de réalisation, le deuxième transistor est adapté à recevoir ledit courant proportionnel à la température sur sa grille.

Selon un mode de réalisation, le premier transistor est adapté à recevoir un signal d'entrée sur sa grille.

Selon un mode de réalisation, le signal d'entrée a un niveau de tension haut variable.

Selon un mode de réalisation, le signal d'entrée a un niveau de tension haut variable aléatoirement entre deux niveaux de tension.

Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième transistors font partie d'un circuit de conversion compris dans le circuit convertisseur de niveaux.

Selon un mode de réalisation, le circuit comprend un circuit d'alimentation en courant adapté à fournir ledit courant proportionnel à la température.

Selon un mode de réalisation, le circuit de conversion et le circuit d'alimentation sont formés sur un même substrat.

Selon un mode de réalisation, ledit circuit d'alimentation en courant comprend un premier circuit miroir de courant.

Selon un mode de réalisation, le premier circuit miroir de courant comprend des transistors MOS de type N.

Selon un mode de réalisation, ledit circuit d'alimentation en courant comprend un deuxième circuit miroir de courant.

Selon un mode de réalisation, le deuxième circuit miroir de courant comprend des transistors MOS de type P.

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, très schématiquement et sous forme de blocs, un mode de réalisation d'un circuit convertisseur de niveaux ;

la représente un exemple de réalisation du mode de réalisation de la ;

la représente un schéma équivalent du circuit de la ; et

la représente un autre schéma équivalent du circuit de la .

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.

La représente schématiquement et sous forme de blocs un mode de réalisation d'un circuit convertisseur de niveaux 10.

Le circuit convertisseur 10 reçoit, en entrée, un signal d'entrée IN analogique, et fournit, en sortie, un signal de sortie OUT analogique. Les signaux d'entrée IN et de sortie OUT sont utilisés pour transférer des informations binaires. Le circuit convertisseur 10 est adapté à convertir les niveaux de tension du signal d'entrée IN en des niveaux de tension différents, le signal de sortie OUT correspondant au signal d'entrée IN converti. La succession d'états logiques du signal de sortie OUT est donc la même que celle du signal d'entrée IN. De manière plus particulière, le signal d'entrée IN est un signal analogique comprenant deux états, un état bas représentant un "0" logique dont le niveau de tension est inférieur à un premier niveau de tension VinL, et un état haut représentant un "1" logique dont le niveau de tension est supérieur à un deuxième niveau de tension VinH. Le deuxième niveau de tension VinH est strictement supérieur au premier niveau de tension VinL. Le signal de sortie OUT est un signal analogique comprenant deux états, un état bas représentant un "0" logique dont le niveau de tension est inférieur à un premier niveau de tension VoutL, et un état haut représentant un "1" logique dont le niveau de tension est supérieur à un deuxième niveau de tension VoutH. Le deuxième niveau de tension VoutH est strictement supérieur au premier niveau de tension VoutL.

De façon optionnelle, le circuit convertisseur 10 peut fournir, en sortie, un deuxième signal de sortie N-OUT. Le signal de sortie N-OUT est un signal analogique comprenant deux états logiques, un état bas représentant un "0" logique dont le niveau de tension est inférieur au niveau de tension VoutL, et un état haut représentant un "1" logique dont le niveau de tension est supérieur au niveau de tension VoutH. Le signal de sortie N-OUT représente une succession d'états logiques correspondant à l'inverse des états logiques représentée par le signal de sortie OUT.

Le circuit convertisseur 10 comprend un circuit de conversion 11 (LS) recevant le signal d'entrée IN et fournissant, en sortie, le signal de sortie OUT, et, de façon optionnelle, le signal de sortie N-OUT. Le circuit de conversion est alimenté en courant par un courant Itemp, et est alimenté en tension par les niveaux de tension VinL, VoutH, et VoutL. Le circuit convertisseur 10 ne reçoit pas le niveau de tension VinH. Un exemple détaillé du circuit de conversion 11 est décrit en relation avec la .

Le circuit convertisseur 10 comprend, en outre, un circuit d'alimentation 12 (IPTAT) adapté à fournir le courant Itemp. Le courant Itemp est un courant proportionnel à la température ambiante. Un exemple du circuit d'alimentation 12 est détaillé en relation avec la .

Selon un mode de réalisation, le circuit de conversion 11 et le circuit d'alimentation 12 sont tous deux réalisés sur un même substrat, par exemple un même substrat à base de silicium.

Le circuit convertisseur 10 fonctionne de la manière suivante. Lorsque la tension d'entrée IN est supérieure à un seuil VIH, la tension de sortie OUT est mise au niveau de tension VoutH, et la tension de sortie N-OUT est mise au niveau de tension VoutL. Lorsque la tension d'entrée IN est inférieure ou égale à un seuil VIL, la tension de sortie OUT est mise au niveau de tension VoutL, et la tension de sortie N-OUT est mise au niveau de tension VoutH. Les niveaux de tension VinL et VoutL sont inférieurs au seuil VIL. Les niveaux de tension VinH et VoutH sont supérieurs au seuil VIH.

Les inventeurs ont remarqué qu'en alimentant le circuit de conversion 11 avec un courant proportionnel à la température, le nombre d'erreurs de conversion, c'est-à-dire le nombre de bits convertis de façon erronée, décroit. Une erreur de conversion peut, par exemple, correspondre à un non-respect d'un seuil VIH ou VIL. En effet, commander un transistor d'entrée du circuit de conversion 11 avec le courant Itemp proportionnel à la température permet de compenser la dérive du seuil de basculement de ce transistor. Ce phénomène sera détaillé en relation avec les figures 3 et 4.

Dans certains cas, les seuils sont définis par une norme, et un avantage du circuit convertisseur 10 est que, grâce à l'alimentation de son circuit de conversion par le courant proportionnel à la température, il peut respecter la norme.

Un autre avantage du circuit convertisseur 10 est qu'il permet de convertir le signal d'entrée IN sans connaître le niveau de tension "haut" VinH. Ainsi, le circuit convertisseur 10 peut convertir un signal d'entrée IN dont le niveau de tension "haut" VinH varie, par exemple, aléatoirement entre plusieurs niveaux de tension. Selon un exemple de réalisation, le niveau de tension VinL du signal d'entrée IN est de l'ordre de 0 V, le niveau de tension VinH du signal d'entrée IN varie aléatoirement entre une tension de l'ordre de 1,8 V, et une tension de l'ordre de 3,3 V.

La illustre un schéma électrique d'un exemple de réalisation du circuit convertisseur de niveaux 10 décrit en relation avec la figure 1.

Le circuit de conversion 11 (délimité en pointillé) du circuit 10 comprend un premier étage inverseur composé de transistors MOS 111N et 111P. Le transistor 111N est de type N, et le transistor 111P est de type P. Les transistors 111N et 111P sont reliés, de préférence connectés, en série par leurs bornes de conduction. La source du transistor 111N est reliée, de préférence connectée, à un noeud recevant le niveau de tension VinL. Le drain du transistor 111N est relié, de préférence connecté à un noeud A. La grille du transistor 111N est reliée, de préférence connectée, à un noeud recevant le signal d'entrée IN. La source du transistor 111P est reliée, de préférence connectée, à un noeud recevant le niveau de tension VoutH. Le drain du transistor 111P est relié, de préférence connecté, au noeud A. La grille du transistor 111P est reliée, de préférence connectée, à un noeud recevant le courant Itemp. Par ailleurs, le transistor 111P est connecté en miroir avec des transistors du circuit d'alimentation 12, et n'est pas utilisé comme un interrupteur.

Le circuit de conversion 11 comprend, en outre, un deuxième étage inverseur composé de transistors MOS 112N et 112P. Le transistor 112N est de type N, et le transistor 112P est de type P. Les transistors 112N et 112P sont reliés, de préférence connectés, en série par leurs bornes de conduction. La source du transistor 112N est reliée, de préférence connectée, au noeud recevant le niveau de tension VinL. Le drain du transistor 112N est relié, de préférence connecté, à un noeud B. La grille du transistor 112N est reliée, de préférence connectée, au noeud A. La source du transistor 112P est reliée, de préférence connectée, au noeud recevant le niveau de tension VoutH. Le drain du transistor 112P est relié, de préférence connecté, au noeud B. La grille du transistor 112P est reliée, de préférence connectée, au noeud A.

Le circuit de conversion 11 comprend, en outre, un troisième étage inverseur composé de transistors MOS 113N et 113P. Le transistor 113N est de type N, et le transistor 113P est de type P. Les transistors 113N et 113P sont reliés, de préférence connectés, en série par leurs bornes de conduction. La source du transistor 113N est reliée, de préférence connectée, à un noeud recevant le niveau de tension VoutL. Le drain du transistor 113N est relié, de préférence connecté, à un noeud C fournissant le signal de sortie N-OUT. La grille du transistor 113N est reliée, de préférence connectée, à un noeud fournissant le signal de sortie OUT. La source du transistor 113P est reliée, de préférence connectée, au noeud recevant le niveau de tension VoutH. Le drain du transistor 113P est relié, de préférence connecté, au noeud C. La grille du transistor 113P est reliée, de préférence connectée, au noeud B.

Le circuit de conversion 11 comprend, en outre, un quatrième étage inverseur composé de transistors MOS 114N et 114P. Le transistor 114N est de type N, et le transistor 114P est de type P. Les transistors 114N et 114P sont reliés, de préférence connectés, en série par leurs bornes de conduction. La source du transistor 114N est reliée, de préférence connectée, au noeud recevant le niveau de tension VoutL. Le drain du transistor 114N est relié, de préférence connecté, au noeud fournissant le signal de sortie OUT. La grille du transistor 114N est reliée, de préférence connectée, au noeud C. La source du transistor 114P est reliée, de préférence connectée, au noeud recevant le niveau de tension VoutH. Le drain du transistor 114P est relié, de préférence connecté, au noeud fournissant le signal de sortie OUT. La grille du transistor 114P est reliée, de préférence connectée, au noeud A.

Les transistors MOS de type N 111N, 112N, 113N et 114N sont tous dimensionnés pour être passants lorsque la tension à leur grille est supérieure à la tension de seuil VIH. Les transistors MOS de type P 111P, 112P, 113P et 114P sont tous dimensionnés pour être passants lorsque la tension à leur grille est inférieure à la tension de seuil VIL.

Le circuit d'alimentation 12 (délimité en pointillé) du circuit 10 comprend un premier miroir de courant composé de deux transistors MOS 121P et 122P de type P. La source du transistor 121P est reliée, de préférence connectée, au noeud recevant le niveau de tension VoutH. Le drain du transistor 121P est relié, de préférence connecté, à un noeud D. La grille du transistor 121P est reliée, de préférence connectée, à un noeud E. La source du transistor 122P est reliée, de préférence connectée, au noeud recevant le niveau de tension VoutH. Le drain du transistor 122P est relié, de préférence connecté, au noeud E. La grille du transistor 122P est reliée, de préférence connectée, au noeud E.

Le circuit d'alimentation 12 comprend, en outre, un deuxième miroir de courant composé de deux transistors MOS 123N et 124N de type N. La source du transistor 123N est reliée, de préférence connectée, au noeud recevant le niveau de tension VinL. Le drain du transistor 123N est relié, de préférence connecté, au noeud D. La grille du transistor 123N est reliée, de préférence connectée, au noeud D. La source du transistor 124N est reliée, de préférence connectée, à une première borne d'une résistance R. La deuxième borne de la résistance R est reliée, de préférence connectée, au noeud recevant le niveau de tension VinL. Le drain du transistor 124N est relié, de préférence connecté, au noeud E. La grille du transistor 124N est reliée, de préférence connectée, au noeud D.

Les transistors 121P, 122P, 123N, et 124N, du circuit 12, fonctionnent tous dans un mode de faible inversion. Le courant Itemp fourni par le circuit 10 est alors proportionnel au rapport entre la différence entre les potentiels présents sur la grille et la source des transistors 121P et 122P par la résistance de la résistance R. La résistance de la résistance R étant inversement proportionnelle à la température, le courant Itemp est proportionnel à la température.

Le fonctionnement global de l'exemple de réalisation du circuit 10, détaillé en relation avec la , est décrit en relation avec les figures 3 et 4.

La illustre un premier schéma électrique équivalent du circuit convertisseur de niveaux 10 décrit en relation avec la figure 2, dans le cas où le signal d'entrée IN représente un "0" logique.

En , un transistor dit "passant" est représenté par le symbole électronique d'un interrupteur fermé, et un transistor dit "non passant" ou "bloqué" est représenté par le symbole électronique d'un interrupteur ouvert.

Lorsque le signal d'entrée IN représente un "0" logique, sa tension est de l'ordre de VinL, et est inférieure au seuil VIL. Ainsi le transistor 111N du circuit de conversion 11 est non passant. Le transistor 111P est commandé en courant par le courant Itemp, et le potentiel du noeud A est fixé à VoutH par le transistor 111P.

Les transistors 112N et 112P sont commandés par le potentiel du noeud A. Le transistor 112N est alors passant, et le transistor 112P est alors non passant. Le noeud B est relié au noeud recevant le niveau de tension VinL.

Le transistor 113P est commandé par le potentiel du noeud B, et est alors passant. Le noeud C est relié au noeud recevant le niveau de tension VoutH. Le signal de sortie N-OUT représente alors un "1" logique puisque que sa tension est égale au niveau de tension VoutH.

Le transistor 114P est commandé par le potentiel du noeud A, et est alors non passant. Le transistor 114N est commandé par le potentiel du noeud C, et est alors passant. Le noeud fournissant le signal de sortie OUT représente un "0" logique puisque que sa tension est égale au niveau de tension VoutL.

Le transistor 113N est commandé par le signal de sortie OUT, et est alors non passant. Le noeud C n'est donc relié qu'au noeud recevant le niveau de tension VoutH.

La illustre un premier schéma électrique équivalent du circuit convertisseur de niveaux 10 décrit en relation avec la figure 2, dans le cas où le signal d'entrée IN représente un "1" logique.

En , un transistor dit "passant" est représenté par le symbole électronique d'un interrupteur fermé, et un transistor dit "non passant" est représenté par le symbole électronique d'un interrupteur ouvert.

Lorsque le signal d'entrée IN représente un "1" logique, sa tension est de l'ordre de VinH, et est supérieure au seuil VIH. Ainsi le transistor 111N du circuit de conversion 11 est passant. Le transistor 111P est commandé en courant par le courant Itemp, et le potentiel du noeud A est fixé à VinL par le transistor 111N.

Les transistors 112N et 112P sont commandés par le potentiel du noeud A. Le transistor 112N est alors non passant, et le transistor 112P est alors passant. Le noeud B est relié au noeud recevant le niveau de tension VoutH.

Le transistor 113P est commandé par le potentiel du noeud B, et est alors non passant.

Le transistor 114P est commandé par le potentiel du noeud A, et est alors passant. Le noeud fournissant le signal de sortie OUT est relié au noeud recevant la tension VoutH. Le signal de sortie OUT représente un "1" logique puisque que sa tension est égale au niveau de tension VoutH.

Le transistor 113N est commandé par le signal de sortie OUT, et est alors passant. Le noeud C est donc relié au noeud recevant le niveau de tension VoutL. Le signal de sortie N-OUT représente alors un "0" logique puisque que sa tension est égale au niveau de tension VoutH.

Le transistor 114N est commandé par le potentiel du noeud C, et est donc non passant.

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, d'autres exemples de réalisation de circuit de conversion et de circuit d'alimentation en courant fournissant un courant proportionnel à la température pourront être envisagés.

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.

Claims

Circuit convertisseur de niveaux (10) comprenant un circuit d'alimentation en courant (12) adapté à fournir un courant proportionnel à une température (Itemp) permettant d'alimenter ledit circuit convertisseur de niveaux.
Circuit selon la revendication 1, comprenant un premier circuit inverseur comprenant un premier transistor (111N) d'un premier type et un deuxième transistor (111P) d'un deuxième type.
Circuit selon la revendication 2, dans lequel les premier et deuxième transistors (111N, 111P) sont des transistors MOS.
Circuit selon la revendication 3, dans lequel le premier transistor (111N) est un transistor MOS de type N, et le deuxième transistor (111P) est un transistor MOS de type P.
Circuit selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le deuxième transistor (111P) est adapté à recevoir ledit courant proportionnel à la température (Itemp) sur sa grille.
Circuit selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel le premier transistor (111N) est adapté à recevoir un signal d'entrée (IN) sur sa grille.
Circuit selon la revendication 6, dans lequel le signal d'entrée (IN) est représentatif d'une valeur binaire et a un niveau de tension haut (VinH) variable.
Circuit selon la revendication 7, dans lequel le niveau de tension haut (VinH) variable est variable aléatoirement entre deux niveaux de tension.
Circuit selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, les premier et deuxième transistors (111N, 111P) font partie d'un circuit de conversion (11) compris dans le circuit convertisseur de niveaux (10).
Circuit selon les revendications 9, dans lequel le circuit de conversion (11) et le circuit d'alimentation (12) sont formés sur un même substrat.
Circuit selon la revendication 10, dans lequel ledit circuit d'alimentation en courant (12) comprend un premier circuit miroir de courant.
Circuit selon la revendication 11, dans lequel le premier circuit miroir de courant comprend des transistors (122N, 124N) MOS de type N.
Circuit selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, dans lequel ledit circuit d'alimentation en courant (12) comprend un deuxième circuit miroir de courant.
Circuit selon la revendication 13, dans lequel le deuxième circuit miroir de courant comprend des transistors (121P, 122P) MOS de type P.