La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'asservissement de l'amplitude d'un signal périodique. Celui-ci peut être produit par un oscillateur à quartz, un oscillateur LC ou par tout autre générateur de signal périodique dont l'amplitude est une fonction du courant qui l'alimente.
En outre, le dispositif doit assurer le fonctionnement du générateur quelle que soit la valeur des éléments extérieurs au circuit intégré (tels que quartz, bobine d'inductance, capacités, trimmer, etc.) et permettre dans le cas d'un oscillateur, un courant de démarrage largement supérieur au courant de service normal, afin que l'oscillateur démarre rapidement. La présente invention va être décrite plus en détail ci-après, à l'aide du dessin dans lequel:
La fig. 1a montre le principe du dispositif selon l'invention,
La fig. 1b montre un diagramme explicatif du fonctionnement du dispositif,
La fig. 2 montre le dispositif d'asservissement d'un oscillateur à quartz, et
La fig. 3 montre le dispositif d'asservissement d'un oscillateur LC.
La fig. 1a montre le principe du dispositif selon l'invention, dans lequel on reconnaît un générateur de signal périodique 1 qui délivre une tension de sortie périodique Uos (par exemple sinusoidale) dont l'amplitude doit être stabilisée. Le dispositif d'asservissement comprend une première source de courant Il susceptible de délivrer un courant n . io et une seconde source de courant I2 susceptible de délivrer un courant io. Le facteur constant n est choisi lors du dimensionnement du circuit et les sources de courant I1 et I2 sont en réalité des transistors MOS dont les gains sont dans un rapport n. Le dispositif comprend un détecteur de tension de seuil 2 commandé par la sortie du générateur de signal périodique 1.
Le détecteur de tension de seuil 2 autorise le passage du courant n . io dès que la valeur instantanée de la tension Uos du générateur 1 est supérieure à un seuil donné S (v. fig. 1b). Ce détecteur de tension peut être formé d'un ou de plusieurs transistors MOS ou encore de tout autre élément électronique adéquat (transistor bipolaire, diode, etc.). Les transistors T1 et T2 forment un miroir de courant, les gains beta 1, beta 2 des transistors étant dans un rapport 1 (ou autre). Dans un miroir de courant, il est connu que le courant imposé dans T1 se retrouve dans T2. Le transistor T3 est une source de courant dont la valeur est fonction de la tension de grille VG3, donc de la tension aux bornes de la capacité de filtrage C.
Cette capacité C est déchargée par un courant io lorsque la valeur instantanée de la tension Uos est inférieure au seuil S du détecteur de tension 2 et elle se charge à (n-1)io lorsque la valeur instantanée de Uos dépasse le seuil S.
Le réglage a pour effet que la tension moyenne aux bornes du condensateur C s'établit de manière que la valeur instantanée de la tension Uos dépasse le seuil S pendant un temps T/n à chaque période T du signal périodique de l'oscillateur Uos (v. fig. 1b). Le choix de n détermine le rapport cyclique entre T/n et T. Connaissant la valeur du seuil S, on impose l'amplitude du signal périodique.
A titre d'exemple, examinons maintenant le mécanisme de réglage du dispositif décrit ci-dessus. Admettons que la tension Uos du générateur 1 augmente. Ceci a pour effet d'augmenter la durée T/n pendant laquelle la tension de seuil S est dépassée et en conséquence, la durée d'écoulement du courant n . io dans le miroir de courant T1, T2. Il s'ensuit que la charge de la capacité C par le courant n . io augmente ainsi que la tension aux bornes de cette capacité, de sorte que la tension VG3 entre le condensateur C et le pôle négatif de l'alimentation diminue. Le transistor T3 a donc tendance à devenir moins conducteur et le courant délivré par ce transistor dans le générateur 1 diminue, ce qui entraîne une diminution correspondante de la tension de sortie Uos. Il y a donc bien asservissement de l'amplitude de la tension de sortie Uos qui est maintenue à une valeur constante.
Dans le cas d'un signal Uos sinusoidal, la valeur de n doit être supérieure à 2. Dans la pratique, n est choisit entre 3 et 10.
La fig. 2 montre l'asservissement de l'amplitude du signal d'un oscillateur à quartz 3. Cet oscillateur, de type connu, comprend entre autres les éléments suivants: un transistor T10, un quartz Q, une résistance R et deux condensateurs C1 et C2. La tension de sortie de l'oscillateur, Uos, se trouve aux bornes du condensateur C2. Les transistors T1, T2 et T3 ont la même fonction que dans le circuit de principe de la fig. 1a. Les transistors T4, T5, et T6 forment un miroir de courant dans lequel le facteur n est donné par le rapport des gains de T4 et de T5, soit n = beta 4 / beta 5 (pour autant que T1 soit identique à T2. Les transistors T5 et T6 peuvent être identiques. Le détecteur de tension de seuil est réalisé par les transistors T7 et T8. Dans ce cas, le seuil vaut S = 2 VTp, c'est-à-dire deux fois la tension de seuil de chaque transistor MOS type p.
I3 est une quelconque source de courant délivrant le courant io. Le fonctionnement du circuit de la fig. 2 est le même que celui du circuit de principe selon fig. 1a. En fig. 2, la source de courant I1 (n . io) est réalisée par le transistor T4 du miroir de courant T4, T5 et T6 et la source de courant I2 par le transistor T5 qui délivre au miroir de courant T1, T2 le courant de la source I3.
Le fig. 3 montre le dispositif d'asservissement de l'amplitude du signal d'un oscillateur de type LC, 4. Cet oscillateur 4, de type connu, comprend deux transistors MOS T11 et T12, une inductance L et une capacité C3. Les transistors T1 à T6 ont la même fonction que dans le dispositif selon fig. 2. Le transistor T7 forme le détecteur de tension de seuil. Ce seuil vaut S = VTp (tension de seuil d'un transistor MOS de type p). Le transistor T9 est connecté de manière à former une source de courant io. Lorsque l'amplitude du signal de sortie du l'oscillateur 4 est atteinte, la tension VG3 reste constante et le courant io de T9 est aussi constant c'est-à-dire qu'il est indépendant de la tension d'alimentation + Vcc et de la température.
Dans le cas particulier du circuit de la fig. 3, il est absolument indispensable que le condensateur de filtrage C soit connecté à la borne + Vcc, afin d'assurer le démarrage automatique de l'oscillateur à l'enclenchement. Le condensateur C est déchargé à l'enclenchement. Le fonctionnement est le même que celui du circuit selon fig. 1a.
Les avantages du dispositif d'asservissement selon la présente invention sont les suivants:
- L'amplitude du signal du générateur de signal périodique est asservie à une tension de seuil donné et est de ce fait stabilisée.
- Le fonctionnement du dispositif est assuré quelle que soit la caractéristique des éléments extérieurs au dit dispositif, tels que quartz, bobine d'inductance, capacités trimmer, etc.
- Pour une tension de seuil donnée, l'amplitude du signal ne dépend que de rapports de courants dans des transistors MOS (rapport n et rapport du miroir de courant T1, T2).
La bonne reproductibilité des rapports de courants est une des caractéristiques des technologies CMOS.
The present invention relates to a method and a device for controlling the amplitude of a periodic signal. This can be produced by a quartz oscillator, an LC oscillator or by any other periodic signal generator whose amplitude is a function of the current which supplies it.
In addition, the device must ensure the operation of the generator whatever the value of the elements external to the integrated circuit (such as quartz, inductor, capacitors, trimmer, etc.) and allow in the case of an oscillator, a starting current much higher than normal operating current, so that the oscillator starts quickly. The present invention will be described in more detail below, with the aid of the drawing in which:
Fig. 1a shows the principle of the device according to the invention,
Fig. 1b shows an explanatory diagram of the operation of the device,
Fig. 2 shows the device for controlling a quartz oscillator, and
Fig. 3 shows the servo device of an LC oscillator.
Fig. 1a shows the principle of the device according to the invention, in which a periodic signal generator 1 is recognized which delivers a periodic output voltage Uos (for example sinusoidal) whose amplitude must be stabilized. The servo device comprises a first current source II capable of delivering a current n. io and a second current source I2 capable of delivering a current io. The constant factor n is chosen during the design of the circuit and the current sources I1 and I2 are actually MOS transistors whose gains are in a ratio n. The device comprises a threshold voltage detector 2 controlled by the output of the periodic signal generator 1.
The threshold voltage detector 2 authorizes the passage of current n. io as soon as the instantaneous value of the voltage Uos of the generator 1 is greater than a given threshold S (see fig. 1b). This voltage detector can be formed by one or more MOS transistors or by any other suitable electronic element (bipolar transistor, diode, etc.). The transistors T1 and T2 form a current mirror, the gains beta 1, beta 2 of the transistors being in a ratio 1 (or other). In a current mirror, it is known that the current imposed in T1 is found in T2. The transistor T3 is a current source whose value is a function of the gate voltage VG3, therefore of the voltage across the filtering capacitor C.
This capacitance C is discharged by a current io when the instantaneous value of the voltage Uos is less than the threshold S of the voltage detector 2 and it is charged to (n-1) io when the instantaneous value of Uos exceeds the threshold S.
The adjustment has the effect that the average voltage across the capacitor C is established so that the instantaneous value of the voltage Uos exceeds the threshold S for a time T / n at each period T of the periodic signal of the oscillator Uos ( see fig. 1b). The choice of n determines the duty cycle between T / n and T. Knowing the value of the threshold S, the amplitude of the periodic signal is imposed.
By way of example, let us now examine the adjustment mechanism of the device described above. Let us assume that the voltage Uos of generator 1 increases. This has the effect of increasing the duration T / n during which the threshold voltage S is exceeded and consequently, the duration of current flow n. io in the current mirror T1, T2. It follows that the charge of the capacitor C by the current n. io increases as well as the voltage across this capacitance, so that the voltage VG3 between capacitor C and the negative pole of the power supply decreases. The transistor T3 therefore tends to become less conductive and the current delivered by this transistor in the generator 1 decreases, which causes a corresponding decrease in the output voltage Uos. There is therefore a good enslavement of the amplitude of the output voltage Uos which is maintained at a constant value.
In the case of a sinusoidal Uos signal, the value of n must be greater than 2. In practice, n is chosen between 3 and 10.
Fig. 2 shows the control of the amplitude of the signal of a quartz oscillator 3. This oscillator, of known type, comprises inter alia the following elements: a transistor T10, a quartz Q, a resistor R and two capacitors C1 and C2 . The output voltage of the oscillator, Uos, is located across the capacitor C2. The transistors T1, T2 and T3 have the same function as in the principle circuit of FIG. 1a. The transistors T4, T5, and T6 form a current mirror in which the factor n is given by the ratio of the gains of T4 and T5, ie n = beta 4 / beta 5 (provided that T1 is identical to T2. transistors T5 and T6 can be identical. The threshold voltage detector is produced by transistors T7 and T8. In this case, the threshold is S = 2 VTp, that is to say twice the threshold voltage of each p type MOS transistor.
I3 is any current source delivering the current io. The operation of the circuit of fig. 2 is the same as that of the principle circuit according to fig. 1a. In fig. 2, the current source I1 (n. Io) is produced by the transistor T4 of the current mirror T4, T5 and T6 and the current source I2 by the transistor T5 which delivers the current from the current mirror T1, T2 source I3.
Fig. 3 shows the device for controlling the amplitude of the signal of an LC type oscillator, 4. This oscillator 4, of known type, comprises two MOS transistors T11 and T12, an inductance L and a capacitor C3. The transistors T1 to T6 have the same function as in the device according to fig. 2. The transistor T7 forms the threshold voltage detector. This threshold is equal to S = VTp (threshold voltage of a p-type MOS transistor). The transistor T9 is connected so as to form a current source io. When the amplitude of the output signal from oscillator 4 is reached, the voltage VG3 remains constant and the current io of T9 is also constant, that is to say that it is independent of the supply voltage + Vcc and temperature.
In the particular case of the circuit of fig. 3, it is absolutely essential that the filtering capacitor C is connected to the + Vcc terminal, in order to ensure the automatic start of the oscillator when switching on. The capacitor C is discharged on switching on. The operation is the same as that of the circuit according to fig. 1a.
The advantages of the servo device according to the present invention are as follows:
- The amplitude of the signal from the periodic signal generator is controlled by a given threshold voltage and is therefore stabilized.
- The operation of the device is ensured regardless of the characteristic of elements external to said device, such as quartz, inductor, trimmer capacitors, etc.
- For a given threshold voltage, the amplitude of the signal only depends on current ratios in MOS transistors (n ratio and ratio of the current mirror T1, T2).
One of the characteristics of CMOS technologies is the good reproducibility of current ratios.