CH691990A5 - Procédure de caractérisation d'un convertisseur en tension ou en courant connecté à un montage capacitif - Google Patents

Description

  



  La présente invention concerne le domaine des circuits intégrés et, plus particulièrement, des procédés de caractérisation de convertisseurs en tension ou en courant connectés à un montage capacitif. 



  Il existe une grande variété de capteurs tant par leurs formes, leurs fonctions, leurs effets que par leurs applications. 



  Dans le cadre de la détection d'un paramètre tel que l'accélération ou la pression, on utilise communément un capteur capacitif que l'on décrit ci-dessous. 



  La fig. 1 représente un capteur capacitif classique 1. 



  Le capteur 1 est agencé de manière à pouvoir mesurer un paramètre tel que la pression ambiante ou l'accélération subie par ce capteur. A cet effet, le capteur 1 comprend un support 5, deux armatures 11 et 12 qui sont fixes par rapport à ce support, et une troisième armature 13 qui est aménagée de manière à être mobile entre les deux armatures 11 et 12. 



  Un schéma électrique équivalent du capteur 1 peut être représenté par deux capacités C1 et C2 connectées en série. Dans une telle représentation, la capacité C1 correspond à la capacité du condensateur formé par les armatures 11 et 13, et la capacité C2 correspond à la capacité du condensateur formé par les armatures 12 et 13. 



  Le capteur capacitif 1 est agencé également de manière à pouvoir fournir une différence de capacité C1-C2 qui est fonction dudit paramètre. A cet effet, le capteur 1 comprend une borne de connexion 15 pour pouvoir fournir une telle différence. 



  Le fonctionnement du capteur 1 est le suivant. Sous l'effet dudit paramètre, l'armature mobile 13 se déplace dans le capteur 1, et ce dernier fournit en réponse la différence de capacité C1-C2 qui représente la disposition des trois armatures 11 à 13, suite audit effet. 



  Dans le cadre de la détection d'un paramètre tel que la pression ou l'accélération, un tel capteur capacitif est connecté à un convertisseur en tension, de sorte que le circuit formé du capteur et du convertisseur, fournit une tension électrique qui représente l'évolution du paramètre. 



  La fig. 2 représente un tel circuit connu comprenant le capteur 1 de la fig. 1, qui est connecté à un convertisseur en tension 20. 



  Le convertisseur 20 comprend deux bornes d'entrée 201 et 202 et une borne de sortie 203. Le convertisseur 2C est connecté et agencé de manière à pouvoir recevoir, par la borne 201, la différence de capacité C1-C2 fournie par le capteur 1 et, par la borne 202, une tension de polarisation Vb fournie par une source de tension constante 22. Le convertisseur 20 est agencé de manière à pouvoir fournir, par la borne 203, une tension de sortie Vo qui dépend de la différence de capacité C1-C2 et de la tension de polarisation Vb. 



  On note que la tension de polarisation Vb peut être unipolaire ou bipolaire, et référencée par rapport au potentiel de masse du circuit. On rappelle en outre que la tension de polarisation Vb est utilisée typiquement pour fixer à une valeur prédéterminée le gain statique du circuit constitué du capteur 1 et du convertisseur 20. 



  De façon générale, les procédés de caractérisation classiques d'un tel convertisseur, reposent sur la détermination de la caractéristique de la tension de sortie Vo en fonction de la différence de capacité C1-C2 et, en particulier, des performances électriques de ce convertisseur. 



  On rappelle que les "performances électriques" d'un convertisseur sont caractérisés habituellement par deux paramètres électriques: le gain statique As et le coefficient de non-linéarité LAs. On rappelle également que le gain statique As du convertisseur est égal à 
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  en se référant à la fig. 2, et que le coefficient de non-linéarité LAs représente la dispersion de la tension de sortie Vo entre les valeurs effectives de cette tension et des valeurs de tension correspondant à un comportement linéaire idéal du convertisseur. 



  Une difficulté communément rencontrée pour réaliser une telle caractérisation, réside dans la fourniture d'une pluralité de différences de capacité C1-C2, pour mesurer l'évolution de la tension de sortie Vo avec la différence de capacité C1-C2. 



  En effet, dans le cas où le convertisseur est connecté à un capteur capacitif tel que décrit en relation avec la fig. 1, la variation du paramètre susceptible de provoquer une différence de capacité C1-C2 est difficile à générer dans un environnement industriel de production, notamment dans les usines de fabrication de semi-conducteurs qui sont soumises à des préoccupations de rendement. 



  Pour répondre à de telles préoccupations, on utilise en tant que capteur capacitif un circuit dont le schéma électrique équivalent est proche de celui d'un capteur capacitif, c'est-à-dire un circuit qui fournit un signal électrique susceptible de représenter une différence de capacité. Dans la suite de la description, un tel circuit est appelé "montage capacitif". 



  A titre illustratif, la fig. 3 représente un montage capacitif 25 classique, susceptible de fournir cinq valeurs de différence de capacité C1i-C2i, i = 1, 2, 3, 4, 5. 



  A cet effet, le montage capacitif 25 comprend des moyens de connexion 251, et cinq premiers condensateurs C1i (i = 1, 2, 3, 4, 5) connectés respectivement en série à cinq seconds condensateurs C2i (i = 1, 2, 3, 4, 5). Le montage capacitif 25 est agencé de manière à pouvoir établir une connexion entre l'un des condensateurs C1i, les moyens de connexion 251 et le condensateur C2i associé, de sorte que ce montage fournit, par les moyens de connexion 251, l'une des cinq valeurs de différence de capacité C1i-C2i. 



  Un problème que l'on rencontre dans la détermination des performances électriques d'un convertisseur en tension, réside dans le fait que cette détermination est peu fiable, puisque les valeurs de capacités sont entachées d'une imprécision intrinsèque liée à la tolérance sur les composants et d'une imprécision extrinsèque liée aux moyens de connexion du montage capacitif, ces imprécisions étant d'autant plus gênantes que l'on désire caractériser un convertisseur capable de traiter de faibles valeurs de capacité. 



  La fig. 4a représente une courbe 40 illustrant la caractéristique en tension du convertisseur 20 de la fig. 2, qui est connecté au montage capacitif 25 de la fig. 3, ainsi qu'une courbe 42 illustrant la régression linéaire de cette caractéristique. 



  On rappelle que le montage capacitif 25 peut fournir successivement cinq valeurs de différence de capacité C1i-C2i (i = 1, 2, 3, 4, 5). Dans le cas où l'on utilise le montage capacitif 25 pour simuler le capteur capacitif 1 dans le circuit de la fig. 2, on peut alors obtenir cinq valeurs de tension de sortie Vo pour les cinq valeurs de différence de capacité respectives Voi (i = 1, 2, 3, 4, 5). Autrement dit, on obtient ainsi cinq couples de données (C1i-C2i, Voi). 



  Pour déterminer les performances électriques du convertisseur 20, telles que décrites ci-dessus, on extrapole ensuite ces cinq couples de données par une régression linéaire qui est représentée en fig. 4a par la courbe 42. Cette régression permet de déterminer le gain As, ainsi que le coefficient LAs. 



  On note en fig. 4a que l'erreur de mesure sur la tension de sortie Vo est due essentiellement à l'erreur  epsilon  sur la valeur effective des différences de capacité C1i-C2i. 



  En effet, pour un capteur tel que décrit en relation avec la fig. 1, ce capteur peut fournir des différences de capacité C1-C2 qui sont inférieures à quelques dizaines de femtofarads (1 fF = 10<-><1><5> F), sur une plage de variation de la différence de capacité C1-C2 qui est comprise typiquement entre quelques picofarads et quelques dizaines de picofarads (1 pF = 10<-><1><2> F). Par exemple, un convertisseur ayant une résolution de 12 bits permet de mesurer une variation de 2,4 fF, pour une plage de variation de 10 pF. 



  La fig. 4b représente une courbe théorique 43 illustrant une précision relative désignée  DELTA Vo/Vo, qui est liée à la tension de sortie Vo obtenue à partir de la fig. 4a, en fonction de la différence de capacité C1-C2. On note en fig. 4b que la précision de mesure des performances électriques du convertisseur 20, déterminées par une telle procédé de caractérisation, est entachée de l'erreur  epsilon  qui est typiquement de l'ordre de 1%, cette valeur ayant été établie par la Demanderesse de la présente invention, en considérant des capacités dont les tolérances sont de l'ordre de 1%. On note que cette erreur est d'autant plus élevée que la différence de capacité mesurée est faible. 



  Autrement dit, un tel procédé de caractérisation ne répond pas aux exigences actuelles de précision et de rendement, qui sont des préoccupations courantes en industrie, notamment dans les usines de fabrication de semi-conducteurs. 



  Un objet de la présente invention est de prévoir un procédé de caractérisation d'un convertisseur en tension ou en courant connecté à un montage capacitif, ce procédé palliant les inconvénients de l'art antérieur susmentionnés, notamment en permettant de calculer avec précision la caractéristique en tension du convertisseur, en particulier ses performances électriques. 



  Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé de caractérisation qui répond aux préoccupations courantes en industrie, notamment dans les usines de fabrication de semi-conducteurs, de précision et de rendement. 



  Ces objets, ainsi que d'autres, sont atteints par le procédé de caractérisation selon la revendication 1. 



  Un avantage du procédé de caractérisation selon la présente invention réside dans le fait qu'il repose sur la mesure de la tension de sortie du convertisseur, en fonction de différentes valeurs de la tension de polarisation, ce qui permet de déterminer les performances électriques du convertisseur indépendamment de l'erreur due à la mesure d'une capacité. Il en résulte un procédé qui est précis et simple à mettre en Öuvre dans un environnement industriel, notamment dans le domaine des semi-conducteurs. 



  Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation préféré de l'invention, donné à titre d'exemple uniquement, en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: 
 
   la fig. 1 déjà citée représente un capteur capacitif classique; 
   la fig. 2 déjà citée représente un circuit comprenant le capteur de la fig. 1, connecté à un convertisseur en tension; 
   la fig. 3 déjà citée représente un montage capacitif classique; 
   la fig. 4a déjà citée représente deux courbes illustrant respectivement la caractéristique d'un convertisseur en tension, et la régression linéaire de cette caractéristique, selon un procédé de caractérisation classique;

   
   la fig. 4b déjà citée représente une courbe théorique illustrant une précision relative liée à un convertisseur en tension, en fonction d'une différence de capacité, susceptible d'être obtenue à partir d'un procédé de caractérisation classique; 
   la fig. 5 représente un circuit comprenant un montage capacitif, et un convertisseur en tension à caractériser par le procédé selon la présente invention; 
   la fig. 6 représente un organigramme de le procédé de caractérisation selon la présente invention; et 
   la fig. 7a représente une courbe illustrant respectivement la caractéristique en tension d'un convertisseur, et la régression linéaire de cette caractéristique, selon le procédé de caractérisation de la fig. 6;

   et 
   la fig. 7b représente une courbe théorique illustrant une précision relative liée à un convertisseur en tension, en fonction d'une tension, susceptible d'être obtenue à partir du procédé de caractérisation selon la présente invention. 
 



  Le procédé de caractérisation selon la présente invention est destiné à déterminer la caractéristique d'un convertisseur en tension connecté à un montage capacitif. 



  A titre illustratif uniquement, la fig. 5 représente un circuit 30 comprenant le convertisseur en tension 20 de la fig. 2, qui est connecté à un montage capacitif 32, et destiné à être caractérisé par le procédé de caractérisation selon la présente invention. 



  On note que la fig. 5 représente des objets désignés par des références qui sont utilisées pour désigner des objets décrits en relation avec la fig. 2. En effet, les références utilisées pour désigner des objets dans les fig. 2 et 5, désignent les mêmes objets dans les deux figures, notamment en relation avec le convertisseur 20. 



  En outre, comme le représente la fig. 5, le montage capacitif 32 comprend une borne de connexion 320 connecté à la borne d'entrée 201 du convertisseur 20. Et le montage capacitif 32 a une structure telle que décrite ci-dessus. Autrement dit, ce montage est constitué d'un circuit dont le schéma électrique équivalent est proche de celui du capteur de la fig. 1, c'est-à-dire de deux capacités C1 et C2 connectées en série. Ainsi, le montage capacitif 32 est agencé de manière à fournir, par la borne 320, une différence de capacité C1-C2 au convertisseur 20. 



  On rappelle que la tension de sortie Vo du convertisseur 20 est une fonction de la différence de capacité C1-C2 et de la tension de polarisation Vb. 



  On notera que le convertisseur 20 reçoit, par la borne 202, la tension de polarisation Vb qui est fournie par des moyens de fourniture classiques (non représentés) agencés de manière à pouvoir fournir une valeur variable de la tension de polarisation Vb. 



  On va maintenant décrire le procédé selon la présente invention, mis en Öuvre pour caractériser le convertisseur 20 dans le circuit 30 de la fig. 5. 



  La fig. 6 représente un organigramme de ce procédé. 



  Le procédé selon la présente invention comprend une séquence d'étapes désignées "a" à "d". 



  L'étape "a" consiste à mesurer au moins trois valeurs expérimentales de la tension de sortie Vo à partir d'au moins trois valeurs respectives de la tension de polarisation Vb. On note que la différence de capacité C1-2 est maintenue constante. 



  Les références Vomes<1>, Vomes<2> et Vomes<3> désignent respectivement les trois valeurs expérimentales de la tension de sortie Vo, et les références Vb1, Vb2 et Vb3 désignent respectivement les trois valeurs de la tension de polarisation Vb. On note que les valeurs Vb1, Vb2 et Vb3 sont comprises dans la plage de fonctionnement du convertisseur 31. 



  Au terme de l'étape "a", on obtient ainsi trois couples de valeur (Vb1, Vomes<1>), (Vb2, Vomes<2>), (Vb3, Vomes<3>). 



  L'étape "a" est suivie de l'étape "b" qui comprend deux sous-étapes désignées "b1" et "b2". 



  La sous-étape "b1" consiste à déterminer par régression une courbe analytique à partir des trois couples de valeur (Vb1, Vomes<1>), (Vb2, Vomes<2>), (Vb3, Vomes<3>). La courbe obtenue est une représentation analytique de la caractéristique en tension du convertisseur 20, basée sur un modèle analytique qui dépend de la nature du montage capacitif, comme cela va être décrit de façon plus détaillée ci-dessous. 



  On note que le procédé selon la présente invention est particulièrement avantageux, puisqu'il permet de déterminer la caractéristique du convertisseur 20 à partir des valeurs Vb1, Vb2 et Vb3 de la tension de polarisation Vb, contrairement au procédé classique. En effet, lors du procédé classique, la caractéristique du convertisseur 20 est déterminée à partir des valeurs de différence de capacité C1i-C2i, pour i = 1, 2, 3, 4, 5, la valeur de la tension de polarisation Vb étant maintenue constante. Il en ressort que la précision de mesure dans le procédé de caractérisation selon la présente invention, est typiquement de l'ordre de 1 mV, ce qui permet de mesurer une différence de capacité de 10 pF avec une précision de 2 fF (1 fF = 10<-><1><5> F), pour une tension de polarisation Vb égale à 5 V, par exemple. 



  La sous-étape "b1" est suivie de la sous-étape "b2" qui consiste à fournir, a partir de la représentation analytique obtenue à la sous-étape "b1" et des valeurs Vb1, Vb2 et Vb3, trois valeurs calculées, par exemple selon la régression, de la tension de sortie Vo, qui sont désignées respectivement Vocal<1>, Vocal<2> et Vocal<3>, et qui correspondent respectivement aux trois valeurs expérimentales Vomes<1>, Vomes<2> et Vomes<3>. 



  Dans le cadre de la détermination des performances électriques du convertisseur 20, telles que décrites ci-dessus, la sous-étape "b2" est suivie de l'étape "c" destinée à déterminer le gain As du convertisseur 20, puis de l'étape "d" destinée à déterminer le coefficient LAs de ce convertisseur. 



  Ainsi, l'étape "c" consiste à déterminer, à partir des valeurs expérimentales précédemment mesurées Vomes<1>, Vomes<2> et Vomes<3>, ainsi que des valeurs calculées respectives Vocal<1>, Vocal<2> et Vocal<3>, le gain As du convertisseur en effectuant le calcul suivant, pour i, j = 1, 2, 3 et i  NOTEQUAL   j: 
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  On note que ce gain est calculé avec la précision de mesure relative à la tension de polarisation Vb. 



  L'étape "c" est suivie de l'étape "d" qui consiste à déterminer, à partir des valeurs expérimentales précédemment mesurées (Vomes<1>, Vomes<2>, Vomes<3>), ainsi que les valeurs calculées respectives (Vocal<1>, Vocal<2>, Vocal<3>), le coefficient de non-linéarité LAs du convertisseur en effectuant le calcul suivant: 
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  où Vomax-Vomin correspond à la longueur de la plage de variations du signal de sortie. 



  On note que le coefficient LAs est calculé avec la précision de mesure relative à la tension de polarisation Vb. 



  Comme cela a déjà été mentionné ci-dessus, la courbe obtenue à l'issue de l'étape "b1", est une représentation analytique de la caractéristique en tension du convertisseur 20, basée sur un modèle analytique qui dépend de la nature du montage capacitif 32. On va considérer les deux types de montage capacitif suivants. 



  Considérons le premier type de montage capacitif qui a une structure dont le schéma électrique équivalent comprend une capacité C1 qui est fixe, et une capacité C2 qui est variable. Dans ce cas, la régression utilisée à l'étape "b1" est polynomiale. 



  Considérons maintenant le second type de montage capacitif qui a une structure dont le schéma électrique équivalent comprend deux capacités C1 et C2 dont la somme est fixe. Dans ce cas, la régression utilisée à l'étape "b1" est linéaire. 



  A titre illustratif uniquement, la fig. 7a représente une courbe 70 illustrant la régression linéaire de la caractéristique en tension d'un convertisseur en tension, dans le cas où ce dernier est connecté à un montage capacitif du second type. 



  A cet effet, cinq couples de données sont représentés en fig. 7a, et désignés par les références (Vbi, Vomes<i>) pour i = 1, 2, 3, 4, 5. Ces couples de données ont été extrapolés par la régression linéaire illustrée par la courbe 70, pour déterminer le gain As et le coefficient LAs. 



  On note en fig. 7b que l'erreur de mesure sur la tension de sortie Vo est due essentiellement à l'erreur sur la valeur effective de la tension de polarisation Vb. 



  La fig. 7b représente une courbe théorique 72 illustrant une précision relative désignée  DELTA Vo/Vo, qui est liée à la tension de sortie Vo décrite en relation avec la fig. 7a, en fonction de la tension de polarisation Vb. On note en fig. 7b que la précision de mesure des performances électriques du convertisseur, déterminées par un tel procédé de caractérisation, est entachée d'une erreur qui est typiquement de l'ordre de 0,02%, cette valeur ayant été établie par la Demanderesse de la présente invention. 



  Il va de soi pour l'homme de l'art que la description détaillée ci-dessus peut subir diverses modifications sans sortir du cadre de la présente invention. A titre d'exemple, le procédé de caractérisation selon la présente invention, peut être mis en Öuvre pour déterminer la caractéristique d'un convertisseur en courant. A titre de variante également, on peut remplacer la tension de polarisation par un courant de polarisation.

Claims (6)

1. Procédé de caractérisation d'un convertisseur en tension ou en courant (20) destiné à être connecté à un montage capacitif (32): - le montage capacitif étant agencé de manière à fournir au convertisseur une différence de capacité (C1-C2); et - le convertisseur étant agencé de manière à pouvoir recevoir la différence de capacité fournie par le montage, et un signal électrique de polarisation Vb, et fournir un signal de sortie Vo qui est une fonction de la différence de capacité et du signal de polarisation le procédé de caractérisation étant destiné à déterminer la caractéristique du convertisseur, illustrant la fonction entre le signal de sortie du convertisseur, la différence de capacité et le signal de polarisation,

ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une séquence d'étapes qui consiste à faire varier le signal de polarisation, en maintenant constante la différence de capacité, et à mesurer en réponse le signal de sortie.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la séquence d'étapes comprend des première et seconde étapes ("a", "b") qui consistent à: - mesurer au moins trois valeurs expérimentales Vomes<1>, Vomes<2>, Vomes<3> du signal de sortie, à partir d'au moins trois valeurs respectives Vb1, Vb2 et Vb3 du signal de polarisation, ces valeurs étant comprises dans la plage de fonctionnement du convertisseur;

et - déterminer par régression une courbe analytique à partir des points expérimentaux précédemment mesurés, une telle courbe correspondant à la caractéristique du convertisseur, puis fournir trois valeurs calculées par régression de signal de sortie Vocal<1>, Vocal<2>, Vocal<3> correspondant respectivement aux valeurs expérimentales mesurées.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une troisième étape ("c") qui consiste à déterminer, à partir des valeurs expérimentales précédemment mesurées Vomes<1>, Vomes<2>, Vomes<3>, ainsi que des valeurs calculées respectives Vocal<1>, Vocal<2>, Vocal<3>, le gain As du convertisseur en effectuant le calcul suivant, pour i, j = 1, 2, 3 et i NOTEQUAL j: EMI13.1 ce gain étant calculé avec la précision de mesure relative au signal de polarisation.

4.

Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une quatrième étape ("d") qui consiste à déterminer, à partir des valeurs expérimentales précédemment mesurées Vomes<1>, Vomes<2>, Vomes<3>, ainsi que des valeurs calculées respectives Vocal<1>, Vocal<2>, Vocal<3>, le coefficient de nonlinéarité LAs du convertisseur en effectuant le calcul suivant: EMI13.2 où Vomax-Vomin correspond à la longueur de la plage de variations du signal de sortie, ce coefficient étant calculé avec la précision de mesure relative au signal de polarisation.

5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, le montage capacitif (32) étant constitué d'un capteur capacitif, caractérisé en ce que ledit capteur a une première capacité fixe (C1) et une seconde capacité variable (C2), et en ce que la régression est polynomiale.

6.

Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, le montage capacitif (32) étant constitué d'un capteur capacitif, caractérisé en ce que ledit capteur a des première et seconde capacités (C1, C2) dont la somme est fixe, et en ce que la régression est linéaire.