Générateur de courant intégré en technologie CMOS

Abstract

 La présente invention concerne un circuit intégré constituant un générateur de courant.
Le montage selon l'invention comprend un premier couple de transistors homologues (T₁. T'₁) dont l'un recopie le courant de l'autre à un facteur près, un deuxième couple de transistors homologues (T₂, T'₂) dont l'un recopie la tension de source de l'autre, un troisième couple de transistors homologues (T₃, T'₃), ayant des tensions de seuil différentes contrairement aux autres couples, une résistance (R₁) étant placée en série avec l'un des transistor du troisième couple pour rattraper la différence des tensions de seuil, et au moins un transistor supplémentaire (T'₁) de recopie du courant dans l'un des transistors précédent. On produit ainsi un courant i₁ stable dans le temps, stable en température, et indépendant de la tension d'alimentation du montage.

Description

[0001] La présente invention concerne un circuit intégré capable d'élaborer des sources de courant de valeur constante, en vue d'alimenter en courant par exemple des fonctions analogiques d'un circuit intégré.

[0002] On utilise ici une technologie CMOS, c'est-à-dire que les circuits réalisés comprennent essentiellement des transistors MOS (Métal-Oxyde-Semiconducteur) à canal N et à canal P.

[0003] On cherche selon l'invention à réaliser des sources de courant peu dépendantes de la température et de la tension d'alimentation du circuit intégré comportant ces sources.

[0004] L'idée directrice de la présente invention est que l'on sait, en technologie CMOS, réaliser des transistors dont la tension de seuil peut être modifiée par implantation ionique, cette opération se faisant au cours des étapes de fabrication du circuit intégré, de sorte qu'on peut désigner par masquage certains transistors dont la tension de seuil doit être plus forte ou plus faible (en valeur absolue) que d'autres. La tension de seuil de ces transistors choisis peut être ajustée à une valeur désirée par action sur la dose d'ions implantés.

[0005] La théorie et l'expérience montrent que les tensions de seuil différentes de deux transistors ayant subi une implantation ionique différente varient avec la température mais que leur différence ne varie pas.

[0006] La présente invention propose un montage à transistors particulièrement simple pour utiliser cette propriété et réaliser, à partir de deux transistors ayant des tensions de seuil différentes, une ou plusieurs sources de courant stables en température et indépendantes de l'alimentation en tension.

[0007] Pour cela, on utilise des couples de transistors fonctionnant en régime saturé et reliés entre eux par des connexions telles que l'on puisse faire recopier par un transistor les conditions de courant ou de tension existant dans un autre, jusqu'à faire apparaître aux bornes d'une résistance de valeur connue exactement la différence entre les tensions de seuil de deux transistors ayant subi une implantation ionique différente. Le courant qui traverse cette résistance est stable et on s'arrange pour lui faire traverser au moins un transistor MOS fonctionnant en régime saturé et pour faire recopier ce courant (à un facteur de proportionalité près si on le désire) par au moins un autre transistor MOS ayant la même tension de polarisation grille-source que le premier et la même tension de seuil.

[0008] Plus précisémment, un montage particulièrement simple selon l'invention consiste à avoir une source de tension qui alimente en parallèle deux ensembles similaires de trois transistors en série, chaque transistor de l'un des ensembles ayant un homologue de même type de canal dans l'autre ensemble et les rapports entre les géométries de deux transistors homologues étant les mêmes pour tous les transistors des ensembles; les premiers transistors des ensembles sont d'un premier type de canal et ont même tension de seuil; ils ont leurs grilles réunies entre elles, et de plus celui du second ensemble a sa grille réunie à son drain; les seconds transistors, du type de canal opposé, ont même tension de seuil et ont leurs grilles réunies entre elles, et de plus celui du premier ensemble a sa grille réunie à son drain; les troisièmes transistors, du premier type de canal, ont leur grille réunie à leur drain et ils ont des tensions de seuil différentes (l'un d'eux par exemple n'ayant pas subi comme les au- très transistors de même type une implantation ionique destinée à abaisser en valeur absolue sa tension de seuil, ou ayant, lui seul, subi une implantation ionique destinée à augmenter en valeur absolue sa tension de seuil). Une résistance de valeur connue, intégrée ou non, est insérée en série entre le second et le troi sième transistor de l'un des ensembles. Enfin, au moins un transistor MOS supplémentaire est prévu, en dehors des deux ensembles, pour servir de générateur de courant d'alimentation constant et stable, ce transistor ayant sa source et sa grille reliées à la source et à la grille du premier ou du troisième transistor de l'un des ensembles et ayant même tension de seuil que le transistor auquel il est relié pour recopier le courant qui traverse ce dernier (à un facteur de proportiona lité connu près).

[0009] Plusieurs transistors supplémentaires peuvent être prévus, ayant chacun leur grille et leur source reliées à la grille et à la source respectivement du premier ou du troisième transistor de l'un des ensem bles. Chacun de ces transistors supplémentaires sert de source de courant stable puisqu'il recopie le courant stable dans la résistance. Le ou les transistors supplémentaires ont un facteur de géométrie connu par rapport aux transistors auxquels ils sont reliés, de sorte que le courant qu'ils recopient est dans un rapport connu avec le courant stable dans la résistance.

[0010] Dans un mode de réalisation plus particulier, on peut "répartir" chaque premier ou troisième transistor, ainsi que chaque transistor supplémentaire, c'est-à-dire constituer, au lieu d'un seul transistor, une pluralité de transistors individuels partiels tous connectés en parallèle (même connexion de grille, de source et de drain) jouant exactement le même rôle qu'un transistor unique mais pouvant être localisés en plusieurs endroits. Dans ces conditions, on peut prévoir côte à côte un premier ou troisième transistor partiel et un transistor supplémentaire partiel qui lui est associé pour constituer une source de courant stable individuelle recopiant le courant dans la résistance avec un facteur de proportionalité qui dépend de la géométrie de ce transistor supplémentaire partiel.

[0011] Le montage de transistors selon l'invention permet effectivement d'avoir un courant stable dans la résistance du fait qu'il apparaît aux bornes de celle-ci une tension qui est la différence des tensions de seuil de deux transistors MOS dont l'un seulement a subi une implantation ionique d'ajustement. Cette tension, donc le courant qui traverse la résistance, ne dépend ni de la température ni de la tension d'alimentation du circuit et de plus elle est bien stable dans le temps. Le courant produit dans la résistance dépend de la température dans la même mesure que la résistance, et celle-ci est choisie aussi stable que possible, qu'elle soit intégrée ou extérieure. Si elle est intégrée, on choisira parmi les résistances diffusées celle qui présente le plus faible coefficient de température.

[0012] En gros et pour résumer, on peut dire que le montage de l'invention comprend un premier couple de transistors homologues dont l'un recopie le courant de l'autre (à un facteur près), un deuxième couple de transistors homologues dont l'un recopie la tension de source de l'autre, un troisième couple de transistors homologues mais à tensions de seuil différentes qui engendre une différence de tension, une résistance en série avec l'un des transistors du troisième couple pour rattraper cette différence de tension, et au moins un transistor supplémentaire de recopie (à un facteur près) du courant dans l'un des transistors précédents. La clef de l'invention réside dans la correspondance des rapports de facteurs de géométrie de tous les couples de transistors homologues, et dans la correspondance exacte des tensions de seuil de tous les couples de transistors homologues sauf l'un d'eux qui doit justement engendrer une' différence de tension. Il faut aussi s'assurer que la tension de seuil du ou des transistors supplémentaires de recopie de courant est bien la même que la tension de seuil du transistor auquel sa grille et sa source sont reliées.

[0013] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence au dessin annexé dans lequel :

- la figure 1 représente un schéma détaillé d'un exemple de réalisation de l'invention,

- la figure 2 représente un autre exemple avec une variante d'exécution.

[0014] Le circuit de la figure 1 est donc destiné à produire une source de courant stable destinée à alimenter une partie de circuit analogique 10 qui est en principe intégrée sur le même substrat que la source de courant selon l'invention. Ce circuit analogique peut être par exemple une partie d'amplificateur : de nombreux amplificateurs différentiels notamment utilisent des sources de courant constant.

[0015] L'ensemble du circuit intégré (partie analogique 10 et source de courant selon l'invention) est alimenté par exemple par des niveaux de tension symétriques +V et -V.

[0016] Entre les conducteurs d'alimentation à +V et -V sont connectés en parallèle deux ensembles similaires de trois transistors en série chacun, respectivement T₁, T₂ et T₃ pour le premier ensemble, et T'₁, T'₂ et T'₃ pour le deuxième ensemble. Le transistor T₁ est l'homologue du transistor T'₁, le transistor T₂ du transistor T'₂ et le transistor T₃ du transistor T'₃. Les transistors T_l et T'₁ sont à canal N (par exemple); les transistors T₂, T'₂ et T₃, T'₃ sont du type de canal opposé, en l'occurence P dans l'exemple choisi.

[0017] Les transistors T₁, T₂ et T₃ peuvent avoir des géométries quelconques; les transistors T'_l, T'₂ et T'₃ ont des géométries dans le même rapport que les transistors T₁, T₂ et T₃, c'est-à-dire qu'il existe un coefficient de proportionalité constant entre les transistors homologues des deux ensembles en série.

[0018] De plus, les transistors homologues T_l et T'_l ont une même tension de seuil; les transistors homologues T₂ et T'₂ ont aussi une même tension de seuil; par contre les transistors T₃ et T'₃ ont des tensions de seuil différentes, respectivement V_T3 et V'_T3. Par exemple, tous les transistors MOS à canal P du circuit intégré, et notamment les transistors T₂, T'₂ et T'₃, ont subi une implantation ionique à travers leur isolement de grille pour abaisser leur tension de seuil. Le transistor T₃ au contraire a été masqué pendant cette opération de sorte qu'il conserve une tension de seuil plus élevée en valeur absolue que le transistor T'₃ et les autres.

[0019] De plus, dans le deuxième ensemble en série T'₁, T'₂, T'₃ on a incorporé une résistance R₁ en série entre le drain du transistor T'₂ et la source du transistor T'₃. Il faut noter ici que cette résistance R₁ peut être incorporée au circuit intégré, et être alors réalisée sous forme d'une portion de silicium dopé, ou bien elle peut être extérieure au circuit et reliée à celui-ci par l'intermédiaire de broches de connexion extérieure et de liaisons métallisées.

[0020] Le transistor T'₁ a son drain relié à sa grille qui elle-même est reliée à la grille du transistor T_l, selon un montage classique dit "en miroir de courants", de sorte que le courant dans le transistor T_l recopie le courant dans le transistor T'₁ à un facteur de proportionalité près qui est le rapport K entre la géométrie du transistor T_l et la géométrie du transistor T'₁ (qui est aussi le rapport entre T₂ et T'₂ et le rapport entre T₃ et T'₃)

[0021] Cette recopie du courant provient du fait que les transistors T₁ et T'₁ ont même tension grille-source et même tension de seuil, et qu'ils fonctionnent en régime saturé; or, en régime saturé, le courant est donné par la formule

où V_GS est la tension grille-source, V_T la tension de seuil, Z/L le facteur de géométrie et k un coefficient qui dépend de la technologie utilisée (technologie qui est la même pour tous les transistors du circuit intégré).

[0022] Pour un même V_GS et un même V_T, on voit que le courant I₁ dans T_l est bien proportionnel au courant I'₁ dans T'₁, le facteur de proportionalité étant le rapport des géométries des deux transistors.

[0023] Le drain du transistor T₂ est relié à sa grille, qui est reliée elle-même aussi à la grille du transistor T'₂. Il s'agit encore d'un montage en miroir de courants, mais cette fois ci, les sources des transistors T₂ et T'₂ ne sont pas reliées l'une à l'autre de sorte que la tension grille-source des transistors T₂ et T'₂ n'est pas directement imposée. Par contre, le courant qui traverse T₂ est le même que le courant qui traverse T_l (I₁) et le courant qui traverse T'₂ est le même que le courant qui traverse T'₁ (I'₁).

[0024] Les courants dans T₂ et T'₂ étant imposés et les tensions-grilles étant imposées, la formule de courant donnée précédemment permet de calculer les tensions grille-source des transistors T₂ et T'₂. Or, ces transistors ont même tension de seuil; ils ont un rapport de géométries K, et ils sont justement parcourus par des courants Il et I'₁ dans un rapport K (Il = KI'₁). Ceci veut dire que leurs tensions grille-source seront les mêmes. Comme ils ont une tension de grille commune, il en résulte que, sans qu'il y ait une liaison directe en- _tre leurs sources, les tensions V₂ et V'₂ de leurs sources seront identiques.

[0025] Par conséquent, de même que le transistor T_l recopiait le courant dans le transistor T'_l, de même, le transistor T₂ recopie la tension de source du transistor ^T'₂.

[0026] En ce qui concerne les transistors T₃ et T'₃, ils ont leurs sources reliées à la tension d'alimentation +V; ils ont de préférence leur grille reliée à leur drain; en appliquant toujours la même formule de calcul du courant en régime saturé, et en tenant compte de ce que les courants Il et I'₁ qui traversent T₃ et T'₃ sont dans le rapport K des géométries des transistors T₃ et T'₃, on en déduit immédiatement qu'il apparaît entre les drains (c'est-à-dire les grilles) des transistors T₃ et T'₃ une différence de tension qui est justement égale à la différence des tensions de seuil de ces transistors. En d'autres mots, si V₃ est la tension de drain du transistor T₃ et V'₃ la tension de drain du transistor ^T'3 on a ^V'3 - ^V3 = ^V'_T3 - V_T3. Comme le drain de T₃ est relié à la source de T₂ on a V₃ = V_2; comme d'autre part la résistance R₁ est insérée entre le drain de T'₃ et la source de T'₂, on a _V'3 - _V'₂ = R₁ I'₁;
comme enfin on a dit que V₂ = V'₂ par recopie de tension, on en déduit immédiatement que la chute de tension R₁ I'₁ dans la résistance R₁ est égale à la différence des tensions de seuil des transistors T'₃ et T₃. Le courant I'₁ est donc un courant de valeur bien déter-Dminée stable dans le temps, stable en température, et indépendant de la tension d'alimentation +V, -V.

[0027] On notera également que le courant Il dans le premier ensemble en série des transistors T₁, T₂, T₃, est également un courant stable puisqu'il recopie le 5courant I'₁ à un facteur de proportionalité près qui est le rapport K entre les géométries des transistors du premier et du second ensemble en série. Ce rapport est indépendant de la température bien entendu.

[0028] On prévoit alors pour établir un courant d'alimentation constant il dans une partie de circuit analogique 10, de recopier le courant Il ou I'₁ avec un montage classique en miroir de courants, c'est-à-dire en utilisant au moins un transistor supplémentaire T"₁, et on donne à ce transistor T"₁ une tension grille-source égale à celle d'un autre transistor parcouru soit par Il soit par I'_l, le transistor T"₁ ayant même tension de seuil que le transistor dont il recopiera la tension grille-source. Dans ces conditions, le courant il dans le transistor T"₁ recopiera le courant I₁ ou le courant I'₁ avec; un facteur de proportionalité qui sera le rapport entre la géométrie du transistor T"₁ et le transistor qui aura même tension grille-source que lui.

[0029] Dans l'exemple représenté sur la figure 1, on a prévu à titre d'exemple de relier la grille du transistor T"₁ à celle du transistor T'₃, les sources de ces deux transistors étant également reliées à la connexion d'alimentation V+. Le transistor T"₁ aura même tension de seuil que le transistor T'₃; si le rapport de géométrie entre le transistor T"₁ et le transistor T'₃ est K', on aura il = K' I'₁.

[0030] Le transistor T"₁ est alors mis en série entre le circuit analogique 10 et la connexion d'alimentation V+, et on produit ainsi un courant stable rentrant il dans le circuit 10.

[0031] Comme on l'a représenté sur la figure 1, on peut également produire un courant sortant i'₁ en connectant un transistor de recopie T"'₁, en série entre la connexion d'alimentation -V et le circuit analogique 10. Le courant sortant I'₁ peut très bien être prévu isolément ou en plus du courant Il et il n'est pas forcément 5égal au courant Il. Le transistor T"'₁ recopie le courant dans le transistor T'₁ (ou T_l) si on relie sa grille et sa source à la grille et à la source de T'₁ (ou T_l)_..

[0032] Si K" est le rapport entre la géométrie du transistor T"'₁ et celle du transistor T'₁, ces deux transistors ayant même tension de seuil, le courant i'₁ sera K" I'₁.

[0033] On peut noter qu'on aurait pu produire un autre courant de référence d'alimentation à partir d'un transistor supplémentaire ayant sa grille et sa source connectées à la grille et à la source du transistor T₃ au lieu de ^T'3, mais alors il faudrait prévoir que le transistor supplémentaire de recopie ainsi connecté ait une tension de seuil égale à celle du transistor T₃ qui n'est pas la même que les autres.

[0034] Sur la figure 1 on n'a représenté qu'un seul circuit analogique 10 alimenté par un courant il rentrant et un courant i'₁ sortant ; on peut évidemment prévoir plusieurs circuits analogiques chacun alimenté par un transistor de recopie ayant sa grille et sa source reliées à l'un des transistors parcourus par les courants stables Il ou I'₁ (en pratique les transistors T₁, T'₁ et ^T'3)_.

[0035] Bien entendu, dans tout ce qui précède, quand on parle d'un transistor de recopie de courant, il s'agit d'un transistor de même type de canal que celui auquel sa grille et sa source sont reliées.

[0036] A la figure 2, on a représenté un circuit d'alimentation en courant tout à fait analogue à celui de la figure 1, dans lequel on cherche à alimenter plusieurs circuits analogiques 10, 20, etc.,nécessitant chacun une référence de courant stable particulière et éventuellement disposés en des endroits différents de la pastille de circuit intégré global.

[0037] On retrouve sur la figure 2 exactement le premier ensemble en série de trois transistors T₁, T₂ et T₃ parcourus par le courant Il; on retrouve la résistance en série R₁ parcourue par le courant I'₁, ainsi que le transistor T'₂ parcouru également par ce courant. La différence avec le schéma de la figure 1 réside dans le fait que le transistor T'₃ et/ou le transistor T'₁ d'une part, ainsi que le transistor T"₁ et/ou le transistor T"'₁ d'autre part, sont réalisés non pas sous la forme de transistors uniques mais sous la forme d'une pluralité de transistors individuels partiels tous connectés de la même manière (même connexion de grille, de source et de drain) jouant exactement le rôle d'un transistor unique mais pouvant être localisés en plusieurs endroits du circuit intégré. Ainsi, le transistor T'₃ se présente sous forme de plusieurs transistors T'₃₁, T'₃₂···etc tous connectés en parallèle. Le transistor T'₁ se présente sous la forme de plusieurs transistors T'_ll, T'₁₂...etc. Le transistor T"₁ se présente sous forme de plusieurs transistor T"₁₁, T"₁₂...etc. Et le transistor T"'₁ se présente sous forme de plusieurs transistors Tl'''₁₁,-T"'₁₂...etc.

[0038] On peut alors s'arranger pour localiser un transistor partiel de la pluralité constituant T'₃ à côté d'un transistor partiel respectif de la pluralité du type T"_i ; de même un transistor partiel de T"₁ à côté d'un transistor du type de T"'₁. Chacun des transistors T"₁₁, T"₁₂ etc, ou T"'₁₁, T"'₁₂ etc, recopie le courant d'un transistor partiel T'₃₁, T'₃₂...etc ou T'₁₁, T'₁₂...etc.

[0039] Bien entendu, les courants d'alimentation stables qui en résultent, i₁₁, i₁₂··· ou i'_ll, i'₁₂... sont des courants de recopie de I'₁ dans un rapport de proportionalité correspondant au rapport des facteurs de géométrie des transistors juxtaposés qui donnent naissance à ces courants de recopie.

Revendications

1. Générateur de courant intégré en technologie CMOS, caractérisé par le fait qu'il comprend une source de tension (+V, -V) alimentant en parallèle deux ensembles similaires de trois transistors MOS en série (T_l, T₂, T₃ et T'_l, T'₂,. T'₃), chaque transistor de l'un des ensembles ayant un homologue de même type de canal dans l'autre ensemble, et les rapports de géométrie des transistors homologues étant les mêmes pour tous les transistors des ensembles, les premiers transistors, d'un premier type de canal, ayant même tension de seuil et ayant leurs grilles réunies et celui du second ensemble ayant en outre sa grille réunie à son drain, les seconds transistors, du type de canal opposé, ayant même tension de seuil et ayant leurs grilles réunies et celui du premier ensemble ayant en outre sa grille réunie à son drain, les troisièmes transistors du premier type de canal, ayant leur grille réunie à leur drain et ayant des tensions de seuil différentes, une résistance de valeur connue étant insérée en série entre le second et le troisième transistor de l'un des ensembles, au moins un transistor MOS supplémentaire étant prévu en dehors des ensembles pour servir de générateur de courant d'alimentation constant, ce transistor ayant sa source et sa grille reliées à la source et à la grille du premier ou du troisième transistor de l'un des ensembles et ayant la même tension de seuil que le transistor auquel il est ainsi relié.

2. Générateur de courant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'un des troisièmes transistors a subi une implantation ionique destinée à abaisser ou augmenter en valeur absolue sa tension de seuil, l'autre troisième transistor ayant été masqué pendant cette opération.

3. Générateur de courant selon la revendication 2, caractérisé par le fait que tous les transistors du premier type de canal du générateur de courant ont subi ladite implantation ionique, sauf le troisième transistor qui a été masqué (ou l'inverse).

4. Générateur de courant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que plusieurs transistors supplémentaires sont prévus, ayant chacun leur grille et leur source reliées à la grille et à la source du premier ou du troisième transistor de l'un des ensembles, pour produire plusieurs références de courant.

5. Générateur de courant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les transistors supplémentaires ont des géométries dans des rapports connus choisis avec les géométries des transistors auxquels ils sont reliés.

6. Générateur de courant selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le premier et/ou le troisième transistor de l'ensemble incluant la résistance en série sont constitués par plusieurs transistors MOS montés en parallèle et connectés de la même façon, et que les transistors supplémentaires sont également constitués par plusieurs transistors MOS partiels connectés de la même façon, un transistor supplémentaire partiel étant associé à chaque premier et/ou troisième transistor partiel pour constituer une source de courant individuelle.

Dessins