cas technologiques. De manière générale, ces deux solutions sont sensibles aux conditions extérieures, sensibilité d’autant plus importante que les impédances sont élevées (Rτ important et Cτ faible). Or,
augmenter Cτ est incompatible avec nos problématiques de faible consommation, ce qui laisse peu de
perspectives à la génération de temps longs. Le montage "Thyristor" est intéressant puisque la du- rée générée dépend assez peu de VDDasic (10 % en cas typique pour une variation de VDDasic de 33,3%). La solution de l’oscillateur en anneau est quant à elle très dépendante de VDDasic. L’idée d’implémenter un réseau de capacités déchargées à courant constant semble donc intéressante.
Cependant, il est fort probable que les capacités du réseau aient des valeurs dépareillées (effet de mismatch). Cet effet est d’autant plus marqué que la surface de la capacité est faible. Pour espérer un mismatch de moins de 2% entre deux capacités polysilicium, le fondeur de la technologie préconise d’utiliser une surface d’au moins 400 µm2 soit une valeur de capacité d’environ 350 fF. La génération
d’une durée de 200 ns nous amènerait à choisir une référence de courant d’environ 1,2 µA. Nos spéci- fications de consommation imposent une référence générant un courant moins important (≈ 100 nA), impliquant de multiplier le courant par dix (par miroir) au prix d’un additionnel effet de mismatch sur la valeur des courants.
La figure 10.4 montre que l’utilisation d’un oscillateur en anneau, en compensant la variation de sa tension d’alimentation, respecte nos spécifications de précision temporelle. De plus, cette solution permet de réaliser la technique MS-SECE avec un circuit numérique (cadencé par l’oscillateur) implé- menté grâce à un langage de description matérielle, ce qui facilite et automatise l’étape du dessin des masques et permet ainsi plus de flexibilité.
Un oscillateur en anneau à 5 MHz est donc choisi pour disposer d’une base temporelle de 200 ns. Ce dernier sera activé uniquement pendant la décharge du récupérateur afin d’obtenir une consommation moyenne faible. Cependant, la variation de sa tension d’alimentation et des cas technologiques a de lourdes conséquences sur sa période d’horloge. Le bloc développé dans la section suivante propose un moyen de stabiliser son alimentation.
10.2 Mise en œuvre de l’oscillateur en anneau
10.2.1 L’oscillateur et son stabilisateur
L’oscillateur en anneau, illustré figure 10.5, est constitué d’une série d’inverseurs logiques et d’une porte NAND. Un stabilisateur de tension, formé par Pa, Pb, Pd, Nd1, Nd2 et N1, délivre une tension
VDDring constante afin d’obtenir une période d’horloge relativement stable qu’elle que soit la tension d’alimentation VDDasic. Le signal de sortie de l’oscillateur est ensuite mis en forme entre GND et VDDasic par un adaptateur de niveaux de tensions.
Le fonctionnement du stabilisateur est le suivant : le transistor Pbrecopie le courant de Paprovenant
d’une référence de courant de 25 nA (voir annexe H). Le courant traversant Pb polarise trois transistors
montés en diode, dont l’empilement délivre une tension V1 constante3 d’environ 1,8 V. Cette tension
constante fixe le potentiel de grille de N1. Le transistor N1 et sa polarisation forment donc un étage
suiveur à drain commun qui, en forts signaux, décale le niveau de tension V1 à VDDring. En négligeant
la modulation de la longueur du canal, le potentiel VDDring est décrit par l’équation 10.2 : il dépend des caractéristiques du transistor et du courant traversant ce dernier.
108 CHAPITRE 10. FONCTION DE COMMANDE DES TRANSISTORS DU FLYBACK
Figure10.5: (a) schéma du stabilisateur de l’oscillateur en anneau dont la période d’horloge est
modifiée en connectant/déconnectant (b) des capacités situées entre chaque inverseur de l’oscillateur
I1 = 1 2KPn· W L(V1− VDDring − VT Hn) 2 ⇒ VDDring = V1− VT Hn− s 2I1 KPn ·WL (10.2)
N1 étant en régime saturé, toute variation lente de VDDasic est encaissée par sa tension drain-
source. De plus, la variation du courant I1 demandée par l’oscillateur impacte assez peu le Vgs de N1
car la dépendance est en racine carrée.
Ce montage permet non seulement de stabiliser la tension d’alimentation de l’oscillateur, mais aussi de la réduire, ce qui diminue la consommation de ce dernier (la consommation dépend quadratiquement de VDDring). Cette réduction de tension entraine un autre avantage : moins d’inverseurs doivent être utilisés pour générer la fréquence désirée ce qui a pour conséquence de diminuer la consommation. La figure 10.6 montre le fonctionnement du stabilisateur et de l’oscillateur lorsque le signal RingEn passe à VDDasic, pour différentes tensions d’alimentation VDDasic.
Figure10.6:simulations SPICE du stabilisateur et de l’oscillateur pour VDDasic = 2 V (fring=
4,13 MHz) et 3 V (fring= 4,34 MHz). Simulation réalisée après l’extraction des parasites pour le cas
technologique typique à 25◦
10.2. MISE EN ŒUVRE DE L’OSCILLATEUR EN ANNEAU 109
10.2.2 Variation de la fréquence avec la tension d’alimentation
Le tableau 10.2 synthétise la variation de la fréquence de l’oscillateur en anneaux alimenté par son stabilisateur, avec la tension VDDasic et pour quatre cas technologiques différents. Ces résultats montrent une faible variation de la période d’oscillation avec la tension d’alimentation (< 5% pour une variation de 33% de VDDasic). Néanmoins, un cas technologique se distingue fortement des autres : le stabilisateur dérive fortement pour le cas extrême Ws (Worst Speed4) lorsque VDDasic devient trop
faible. La tension VDDasic n’est plus suffisante pour polariser les transistors Pd, Nd1 et Nd2 (voir
figure 10.5).
Table 10.2: variation de la période de l’oscillateur en anneau Tring (simulée) pour différentes
tensions d’alimentation par rapport au cas VDDasic = 2,5 V et selon les cas technologiques. Données issues de simulations SPICE
T [◦ C] VDDasic [V] Wo Wp Ws Wz Typ 25 3,3 -4,3% -4,2% -3,7% -3,4% -3,4% 3 -2,5% -2,7% -1,1% -1,9% -2,1% 2,5 438ns 259ns 272ns 207ns 235ns 2 +2,9% +2,3% +50% +1,5% +2,9%
10.2.3 Variation de la fréquence avec les paramètres technologiques
La dépendance de VDDring aux caractéristiques des transistors et donc aux différents cas tech- nologiques est compensée par une calibration de la fréquence de l’oscillateur (figure 10.5.(b)). Cette calibration est réalisée par l’utilisateur grâce à des capacités connectées (respectivement déconnectées) par des interrupteurs entre GND et VDDring pour diminuer (respectivement augmenter) la fréquence de l’oscillateur. De plus, l’utilisateur peut diviser par deux la fréquence d’horloge pour convenir aux cas technologiques les plus critiques. Le graphique 10.7 montre qu’avec ces réglages, une période d’environ 200 ns sera générée quel que soit le cas technologique dans lequel se trouvera le circuit.
Figure 10.7: période de l’oscillateur en anneau selon les cas technologiques et la configuration
choisie par l’utilisateur @ VDDasic = 3 V, 25◦
C
La puissance consommée par l’oscillateur est d’environ 90 µW @ 2 V et 170 µW @ 3 V à 25◦C pour
le cas technologique typique.
110 CHAPITRE 10. FONCTION DE COMMANDE DES TRANSISTORS DU FLYBACK