Générateur de tension codée à transfert de charges, codeur et décodeur analogique-numérique comportant un tel générateur |
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| 申请号 | EP80401781.2 | 申请日 | 1980-12-12 | 公开(公告)号 | EP0031751A1 | 公开(公告)日 | 1981-07-08 |
| 申请人 | THOMSON-CSF; | 发明人 | Benoit-Gonin, Roger; Berger, Jean-Luc; Coutures, Jean-Louis; | ||||
| 摘要 | Des allers-retours successifs des charges entre les grilles G o et G 2 permettent d'obtenir sous G 1 et G 2 des quantités de charges égales à Q R , Q R /2, Q R /2 2 ... QR/2 i . Un dispositif de lecture des charges relié à G 2 et G 4 élabore des tensions V R et V Ri = a o . V R +a 1 · V R /2 + ... + a i-1 V R /2 i-1 + V R /2 i qui sont comparées avec un échantillon de tension à coder V x afin de déterminer par approximations successives les coefficients a o ... a n égaux à 0 ou à 1 tels que V x = a o · V R +a 1 · V R /2 + ... + a n ·V R /2 n . Selon la valeur de a i , chaque quantité de charges Q R /2 i stockée sous G 1 est évacuée sous D e ou stockée sous G 3 puis transférée sous G 4 . | ||||||
| 权利要求 | |||||||
| 说明书全文 | La présente invention concerne un générateur de tension codée à transfert de charges. Elle concerne également les codeurs et décodeurs analogiques-digitaux comportant un tel générateur. Il est bien connu dans l'art antérieur de déterminer par approximations successives les coefficients ao, a1 ... ai ... an, égaux à 0 ou à 1, qui permettent d'écrire une tension Vx inconnue sous la forme : Pour cela,
et ainsi de suite jusqu'à ce que tous les coefficients a ... a soient déterminés. n On constate donc qu'il est nécessaire pour déterminer par approximations successives les coefficients de disposer des tensions VR et Les tensions VR et VRi peuvent être générées par des réseaux de résistances ou de capacités dont les valeurs varient selon les puissances de 2. C'est le cas par exemple dans un article aux noms de Mc CREARY et GRAY, qui a été publié dans la revue IEEE Journal of Solid-State Circuits, volume SC 10, N° 6, décembre 1975, pages 371 à 385.. Ces réseaux de résistances ou de capacités présentent souvent l'inconvénient d'être encombrants et peu précis. De plus, avec certains de ces réseaux, il se révèle parfois impossible au cours de l'approximation d'engendrer directement une valeur de VRi à partir de VR(i-1) et il faut recommencer une nouvelle séquence d'élaboration des tensions pour obtenir la bonne valeur de VRi. Ainsi pour générer les n valeurs de VRi nécessaires à la détermination de n coefficients, il peut être nécessaire d'opérer n.(n + 1) redistributions de tensions. On connait, par ailleurs, par la demande de brevet français N° 77.02067, publiée sous le N° 2.343.369 au nom d'I.B.M. un dispositif qui utilise la redistribution de charges ; n redistributions de charges seulement sont nécessaires pour déterminer les n coefficients. Ce dispositif comporte un générateur de quantités de charges QR/2, QR/22 ... QR/2n. Deux régions de stockage des charges sont prévues :
Une comparaison est effectuée entre Qx et QR/2 :
Le générateur de tension codée selon la présente invention utilise également la redistribution des charges mais diffère totalement par sa structure du dispositif connu précédemment décrit. Le générateur selon l'invention possède tous les avantages du dispositif précédemment décrit au point de vue de l'encombrement réduit et de la rapidité notamment. De plus, il présente une précision accrue par rapport à ce dispositif. Dans ce dispositif, les quantités de charges QR/2, QR/22 ... QR/2n sont obtenues voir les figures 3 à 5-en utilisant deux électrodes de stockage séparées par une électrode de transfert. Une quantité de charges QR est stockée sous l'une des électrodes de stockage. La redistribution des charges sous les deux électrodes de stockage, puis leur séparation par l'électrode de transfert permet d'obtenir QR/2 sous chaque électrode de stockage. Les charges sous l'une des électrodes de stockage sont évacuées et on procède ensuite à une redistribution puis à une séparation qui permet d'obtenir QR/4, et ainsi de suite. La répartition des charges lors de la division par 2 se fait de façon plus aléatoire que dans notre invention et la précision est donc moins bonne. Le générateur de tension codée selon l'invention permet d'élaborer :
Le générateur selon l'invention est constitué par un dispositif à transfert de charges comportant en alternance des grilles de stockage et des grilles de transfert, avec :
lorsque les coefficients ao ... an sont connus, un dispositif de lecture des charges relié à G4 qui assure l'élaboration de Vx par transfert des charges de G3 vers G4, lorsque les n coefficients de Vx ont été traités. Par ailleurs, selon un mode préféré de réalisation du générateur selon l'invention, dans le cas où on dispose de la tension Vx et où les coefficients ao ... an sont inconnus, on peut pour éviter toute source de tension référence extérieure, convertir la tension à coder Vx en une quantité de charges Qx grâce à un dispositif d'injection des charges identique à celui qui est utilisé pour générer 2QR. On effectue ensuite une lecture de Qx, soit VLX, grâce à un dispositif identique x a celui qui est utilisé pour lire les charges sous G2 et G4. L'avantage de la conversion, puis de la lecture de Qx est de comparer des signaux VLx et VRi ayant la même composante continue et la même échelle d'amplitude. Le générateur selon l'invention présente l'avantage de pouvoir être utilisé dans des codeurs ou décodeurs analogiques-digitaux comme cela est décrit dans l'article aux noms de GRAY et HODGES, paru sous le titre "All MOS analogic-digital conversion techniques" paru dans la revue IEEE Transactions on circuits and systems, volume CAS-25, numéro 7, juillet 78, pages 482 à 489. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent :
Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des différents éléments ne sont pas respectées. La figure 1 représente une vue de dessus du dispositif à transfert de charges constituant le générateur selon l'invention et le schéma électrique du dispositif constitué de transistors MOS, capacités et résistances qui lui est associé. Ce dispositif à transfert de charges est préférentiellement du type C.C.D (Charge Coupled Devices). Le transfert des charges peut se faire en surface ou en volume. La zone active du substrat semi-conducteur où s'effectuent le transfert et le stockage des charges se situe à l'intérieur de la ligne ℓ en trait discontinu. A l'extérieur de la zone délimitée par cette ligne, un surdopage du substrat élève le seuil d'inversion et s'oppose ainsi à tout stockage des charges. A une extrémité de la zone active, l'extrêmité gauche sur la figure, on trouve une diode De qui permet d'introduire une charge de référence 2QR sous une grille de stockage Ge par l'intermédiaire d'une grille de transfert T . La diode De et les grilles To et Ge constituent le dispositif d'injection de la charge de référence 2QR dans le générateur. La diode De est également utilisée pour l'évacuation des charges en surplus au cours du fonctionnement du générateur. La grille Ge est suivie d'une grille de transfert T1 et d'une grille de stockage Go. Sous Go, une diffusion d'isolement s'avance, à la moitié de la largeur de la zone active de transfert des charges pour effectuer un pré-partage de la charge stockée sous Go en deux quantités de charges égales. Cette diffusion d'isolement divise la zone active après Go en deux canaux parallèles, généralement de même largeur. Ainsi sous les grilles de stockage G1 et G2, situées sur chaque canal après Go et séparées de Go par les grilles de transfert T2 et T3, seront transférées deux quantités de charges égales à la moitié de la charge stockée sous Go. Ce partage d'une quantité de charges par une zone diffusée est connu de l'art antérieur. L'un des canaux se termine donc par la grille de stockage G2, tandis que l'autre canal comporte après la grille de stockage G1 deux grilles de stockage G3 et G4 et trois grilles de transfert, T4 entre G1 et G3, T5 entre G3 et G4 et T6 entre G4 et une diode collectrice D . La diode collectrice Dc qui termine le canal est reliée à une tension continue VDD et permet l'évacuation des charges en fin de traitement d'un échantillon V ou d'une série a ... a . Selon que l'on dispose de Vx ou des coefficients ao ... an, les grilles G2 et G4 ou la grille G4 seulement sont connectées en un point P à un dispositif de lecture des charges qui opère une lecture non destructive des charges stockées sous G2 et G4 ou sous G4 seulement. Ce dispositif de lecture peut être un dispositif de lecture des charges en courant connu dans l'art antérieur, tel par exemple celui qui est décrit par la demande de brevet français N° 77.13857 publiée sous le N° 2.389.899 au nom de THOMSON-CSF. Le potentiel du point P est maintenu constant lors de l'arrivée des charges grâce à un transistor MOS Q2, relié entre le point P et un point A. Le transistor Q2 , commandé par un signal d'horloge périodique Ø2, se trouve alors polarisé en saturation. Le courant qui traverse Q2 lors de l'afflux des charges est intégré dans une capacité CA reliée entre le point A et la masse. La tension au point A est lue par un transistor MOS ou TMOS Q5 monté en suiveur, dont la grille est reliée au point A, dont l'une des électrodes est reliée à une tension VDD et dont l'autre électrode fournit la tension de lecture aux bornes d'une résistance RS. Le TMOS Q5 peut être remplacé pour lire la tension au point A par un amplificateur opérationnel de gain 1. Entre le point A et un point B est également connecté un TMOS Q3 dont la grille est reliée à B. Une capacité CB est reliée entre le point B et le signal d'horloge Ø2. Enfin un TMOS Q4 est relié entre le point B et la tension VDD, la grille de Q4 est aussi reliée à VDD. Enfin, selon que l'on dispose de Vx ou des coefficients a ... a , un TMOS Q1 est connecté entre les grilles G2 et G4 et la masse ou entre la grille G2 seulement et la masse. Le TMOS Q1 est commandé par un signal d'horloge périodique 0 1 et provoque lorsqu'il conduit la remise à zéro des grilles auxquelles il est connecté. Nous allons maintenant étudier le fonctionnement du générateur représenté sur la figure 1 où le point P du dispositif de lecture et le TMOS Q1 sont connectés aux grilles G2 et G4. Il s'agit donc du cas où on dispose d'échantillons V et où on veut déterminer les coefficients a ... a en élaborant les tensions VR et VRi. On peut distinguer cinq séquences dans ce fonctionnement :
Les grilles To et Ge reçoivent la même tension VGE, comme cela est représenté sur la figure 2a qui représente une vue en coupe du dispositif d'injection des charges et les potentiels de surface lorsque la charge 2QR est stockée sous G . La auantité de charges de référence 2QR est stable au premier ordre, c'est-à-dire indépendante des variations de la tension VGE appliquée à To et GE, si les courbes de potentiel de surface en fonction de la tension de ce couple de grilles sont parallèles. Pour cela, on ajuste les tensions seuils sous To et Ge par implantation 5 sous To de façon que la hauteur de barrière ΔQS soit indépendante au premier ordre de VGE. La figure 2b représente les courbes obtenues pour To et Ge. Les autres électrodes de transfert du générateur T1 ... T6 peuvent être réalisés sur une surépaisseur d'oxyde comme cela est représenté pour T1 sur la figure 2a. Elles peuvent aussi comme To être réalisées par implantation où être réalisées de toute autre façon connue.
On dispose donc de la charge QR sous G1 et de la charge QR sous G2 à cause du partage des charges réalisé par la diffusion d'isolement. Dans ce même temps, T4 et G3 sont mises à zéro et T5 à un potentiel fixe intermédiaire ce qui correspond au transfert d'une charge éventuelle de G3 vers G4. Lors de la première séquence t2 il n'y a pas de charges à transférer de G3 vers G4 et c'est l'arrivée de QR sous G2 qui provoque seule le passage d'un courant à travers Q2 qui maintient le potentiel au point P à VØ - VT alors que le potentiel en A passe de VAO à VA= VAO - QR/CA = VAO - VR. On dispose donc par l'intermédiaire du TMOS Q5 monté en suiveur d'une tension VS proportionnelle à VR = QR/CA. La tension VR est ensuite comparée, de façon connue, à l'échantillon V à coder et on en déduit la valeur de ao: - ao = 0 si Vx< VR ao = 1 si Vx>VR
Les différentes séquences sont ensuite reprises à partir de la séquence t1, la séquence to n'a pas lieu puisqu'on dispose de la charge QR sous Go. On a ainsi successivement :
Les différentes séquences sont ensuite reprises à partir de t1 jusqu'à la détermination de an. Pour la détermination de chaque coefficient ai, il faut donc une séquence de pré-charge t1 et trois séquences t2, t3, t4 de transfert successives donc certaines comportent plusieurs transferts simultanés. Pour la détermination de n coefficients, il faut donc 4n séquences successives après quoi le générateur est initialisé pour le codage de l'échantillon Vx suivant, il y a alors évacuation de QR/2n de G2 vers Go, Ge et De et des charges stockées sous G4 vers Dc Les grilles G1 et G2 ont de préférence unesurfa- ce égale à la moitié de celle de Go. Les grilles G3 et G4 ont de préférence une surface égale à celle de G . On peut remarquer que lorsque tous les coefficients sont égaux à 1, la quantité de charges à stocker sous G3 et G4 est proche de 2QR puisqu'elle égale Pendant la séquence t4, la charge QR/2+ est transférée de G2 vers Go. Avant de pouvoir transférer à nouveau cette charge sous les grilles G1 et G2 pour la diviser par 2, il est essentiel qu'elle ait eu le temps dese répartir de façon uniforme sous Go. Or pour avoir une précision suffisante sur le partage de la charge, on utilise une grille Go dont la largeur perpendiculairement au sens de transfert des charges est relativement importante de l'ordre de 300µm par exemple. Le temps de répartition homogène d'une charge sous une électrode d'une telle largeur est relativement élevé. Pour diminuer ce temps de répartition d'une façon notable, on dispose sur toute la largeur de Go une zone diffusée de type opposé à celui du substrat semi-conducteur 1 Sur la figure 3, on a repéré par 2 la zone diffusée sous l'électrode Go qui établit une conduction élevée d'un bout à l'autre de l'électrode ce qui facilite le passage des charges et leur répartition homogène sur toute la surface de Go. Pour éviter toute source de tension référence extérieure, on peut convertir la tension à coder V en une quantité de charges Q grâce à un dispositif d'injection identique à celui qui est utilisé pour générer 2QR ; Ce dispositif est représenté sur la figure 4 et comporte une diode De suivie d'une grille de transfert To' reliée à VGe et d'une grille de stockage G'e reliée à VX. On effectue ensuite une lecture de Q sur une grille de stockage G'o adjacente au dispositif d'injection à l'aide d'un dispositif de lecture identique à celui qui est utilisé pour lire les charges sous G2 et G4. On obtient ainsi une tension V'A = VA0- QX/CA à comparer avec la tension VAi = VA0 - QRi /CA. L'avantage de la conversion, puis de la lecture de QX est de disposer de signaux V'A et VAi tout à fait comparables en ce qui concerne leur composante continue et leur échelle d'amplitude. La génération de QX doit se faire pour la détermination de chaque coefficient ai. L'injection sous G'e a lieu pendant la séquence t1, le transfert et la lecture sous G'o pendant la séquence t2 et l'évacuation sous une diode D'c reliée à VDD et séparée de G'o par une grille de transfert T2 pendant la séquence t3. On doit donc disposer d'une tension Vx échantillonnée et maintenue. On choisit de préférence la surface de G'e identique à celle de Ge. La charge maximale 2QR qui peut être traitée par le générateur est alors introduite sous G'e lorsque Vx égale VGE. Pour obtenir une bonne précision sur la charge minimale qui peut être injectée sous G'e et lue par la suite, on superpose à la tension Vx une tension constante V . L'excursion de tension sur G' va alors de V à Vo + VGE. Les quantités de charges sous G'e varient donc entre Qo et Qo + 2QR. Pour pouvoir toujours effectuer une comparaison entre VA, et VAi, on ajoute aux charges arrivant sous G2 et G4 une quantité de charges Qo. Pour cela une grille de stockage supplémentaire G'o' est connectée au point P, comme cela est représenté schématiquement sur la figure 4. Une quantité de charges Qo est alors injectée puis transférée sous G'o' grâce à un dispositif identique à celui qui génère et transfère Q + Qx. Les quantités de charges Qo + Qx et Q0 + QRi sont lues par des dispositifs de lecture 3 et un comparateur 4 effectue la comparaison entre les signaux Les dispositifs d'injection de 2QR, Q + Qoet Qo doivent être suffisamment rapprochés sur le substrat semi-conducteur pour éviter des variations des paramètres technologiques d'un dispositif à l'autre en ce qui concerne la tension de seuil, l'épaisseur d'oxyde ... Ces précautions étant prises, il est possible d'éviter l'emploi d'une source de tension référence externe. Enfin, lorsque la tension à coder V est négative, la comparaison entre V et les tensions VR, VRi s'effectue après que la tension Vx ou les tensions VR' VRi aient été inverséesde signe par un étage différentiel. Nous allons meintenant étudier le fonctionnement du générateur selon l'invention lorsque le point P du dispositif de lecture n'est relié qu'à G4 et lorsque le TMOS Q1 n'est relié qu'à G2. Il s'agit donc du cas où on connait les coefficients a ... a o n et où on veut élaborer V . Une seule lecture des charges est alors nécessaire elle se fait par trans- fert de G3 vers G4 alors qu'on a stocké sous G3 la quantité de charges ao QR + a1QR/2 + ... + anQR/2n. Nous allons examiner ce qui diffère au cours des séquences t1 à t4 précédemment décrites, la séquence to restant inchangée.
Il est bien entendu que la totalité du générateur selon l'invention peut être intégrée sur le même substrat semi-conducteur. |
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