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RÉSUMÉ
Cet article traite des circuits intégrés microondes (MMIC). Il décrit les technologies et les modèles électriques des composants passifs relatifs aux principales filières technologiques de circuits intégrés hautes fréquences. L'article insiste sur une description précise de ces composants et de leurs modélisations électriques.
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Christian RUMELHARD : Professeur au conservatoire national des arts et métiers Laboratoire de physique des composants électroniques
INTRODUCTION
Ce fascicule décrit les circuits intégrés monolithiques micro-ondes qui permettent de maîtriser la phase et l’amplitude des signaux micro-ondes.
Les antennes à balayage électronique utilisent des centaines de modules pour lesquels la phase et l’amplitude du signal émis doivent être commandées pour chacun des modules. Pour les transmissions numériques sur porteuse micro-onde (du radiotéléphone aux boucles locales radio), les modulations utilisées, qu’elles soient à décalage en phase (PSK) ou à modulation d’amplitude en quadrature (QAM), impliquent de maîtriser de nombreux déphasages mais aussi l’amplitude du signal dans les modulateurs et démodulateurs. Enfin, le remplacement des filtres dans les têtes d’émission et de réception par des circuits à suppression d’oscillateur local ou à suppression de fréquence image supposent eux aussi l’introduction de déphasages ou de différences de phases. Ces considérations montrent le très grand intérêt qu’il y a à étudier les différentes techniques de déphasage qui peuvent être introduites dans les MMIC. C’est ce qui est fait dans le premier paragraphe.
Par ailleurs, l’amplitude du signal, soit à la réception, soit à l’émission, soit en cours de traitement, devra souvent être contrôlée, ce qui nécessite d’utiliser des cellules à atténuation ou à gain variable.
Mais la fonction d’amplification reste la fonction essentielle de tous ces circuits. Cela se fera dans des amplificateurs en petit signal où les grandeurs importantes sont le gain et le facteur de bruit (paragraphe 2). Les facteurs de bruit proches de 1 permettent de recevoir des signaux très faibles, ce qui augmente les distances des liaisons ou ce qui permet de diminuer les puissances d’émission. Les amplificateurs à large bande pourront être utilisés pour des applications micro-ondes telles que les contre-mesures mais ces circuits permettent aussi d’amplifier des signaux numériques à quelques dizaines de Gbits/s.
La fonction d’amplification se retrouve aussi dans des amplificateurs de puissance où les grandeurs importantes sont le gain, les non-linéarités, la puissance en sortie et le rendement électrique (paragraphe 3). Par exemple, la consultation des essais comparatifs de téléphones portables montre que les durées de fonctionnement en émission-réception sont très variables. Ces durées sont directement fonction du rendement de l’amplificateur de puissance dans la voie émission. Dans un radar aéroporté, l’augmentation du rendement électrique permettra de diminuer la puissance d’alimentation de l’antenne et donc diminuera le poids du générateur de puissance. Mais cette augmentation de rendement permet en même temps de diminuer le poids des circuits de refroidissement qui doivent évacuer la puissance non convertie en micro-ondes. Dans ce cas, l’amélioration du rendement est particulièrement recherchée parce qu’elle a un effet double.
Selon les applications, ces circuits de déphasage et d’amplification seront à bande étroite ou à large bande ce qui débouche aussi sur des circuits différents.
Cette étude des circuits intégrés monolithiques micro-ondes se compose de plusieurs articles :
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MMIC- Évolution et technologie traitant de l’évolution et de la technologie des MMIC,
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MMIC- Composants qui passe en revue les composants passifs et actifs micro-ondes,
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[E 1 427] qui décrit les MMIC déphaseurs et amplificateurs,
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MMIC - Oscillateurs, mélangeurs, convertisseurs qui traite de la modulation, démodulation et conversion de fréquence,
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- Version courante de nov. 2015 par Gilles DAMBRINE, Didier BELOT, Pascal CHEVALIER
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2. Amplificateurs en petit signal
2.1 Montages de transistors à effet de champ et bipolaires
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Les différents montages de transistors
Le schéma de base d’un transistor bipolaire est un peu différent de celui d’un transistor à effet de champ ; un exemple a été donné dans le fascicule MMIC- Composants sur les modèles de composants ; les définitions des différents gains restent les mêmes que celles données pour les transistors à effet de champ. Un modèle simplifié de transistor à effet de champ est donné sur la figure 23.
Les quelques différences qui existent entre ces transistors sont les suivantes :
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il n’y a pas d’équivalent en transistor bipolaire pour la structure bigrille du transistor à effet de champ ;
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mais comme le montage cascode a un comportement identique à celui d’un transistor bigrille, ce montage cascode pourra être utilisé à la place du transistor bigrille. Et le montage cascode existe aussi bien en version transistor à effet de champ qu’en version transistor bipolaire. La seule différence est due au fait qu’en version transistor à effet de champ, les connexions du montage cascode sont un peu plus faciles à réaliser qu’en version transistor bipolaire ;
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le montage Darlington du transistor bipolaire (voir plus loin) n’existe pas en transistor à effet de champ.
Les différents montages du transistor à effet de champ sont d’abord passés en revue. Les performances des montages équivalents pour les transistors bipolaires peuvent en être déduites par des raisonnements identiques.
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Montage en source commune
Le schéma de transistor qui sert à cette évaluation est très simplifié. Il est suffisant pour bien comprendre les principes de base.
Les valeurs des éléments de la matrice admittance ont été données dans le fascicule sur les composants MMIC ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SMITH (B.L.) - The Microwave Engineering Handbook Volume 2 : Microwave circuits, antennas and propagation (Le manuel d’ingénierie des microondes, Volume 2 : Circuits microondes, antennes et propagation) - , Chapman & Hall, 1993.
-
(2) - ROBERTSON (I.D.) - MMIC design (Conception des MMIC), Chapitre 7 : Lucyszyn (S.) and Joshi (J.S.), Phase shifters (Déphaseurs) - , The Institution of Electrical Engineers, 1995.
-
(3) - SOARES (R.) - * - GaAs MESFET Circuit Design (Conception des MESFET GaAs), Chapitre 9 : Kermarrec (C.) and Rumelhard (C.), Microwave Monolithic Integrated Circuits (Circuits intégrés monolithiques micro-ondes), Artech House, 1988.
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(4) - RUMELHARD (C.) - Monolithic microwave integrated circuits (Circuits intégrés monolithiques microondes) - , Chapitre 10 de SMITH (B.L.) - The Microwave Engineering Handbook Volume 2 : Microwave circuits, antennas and propagation (Le manuel d’ingénierie des microondes, Volume 2 : Circuits microondes, antennes et propagation).
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(5) - CASTAGNÉ (C.), DUCHEMIN (J.P.), GLOANEC (M.), RUMELHARD (Ch.) - Circuits...
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