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RÉSUMÉ
Cet article concerne le principe de fonctionnement et les diverses architectures de circuits hautes fréquences dédiés à la génération de signal (oscillateur) ou dédiés au mélange ou à la transposition de fréquence (mélangeur, convertisseur de fréquence).
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Didier BELOT : Ingénieur - ST-Microelectronics, Crolles, France
INTRODUCTION
Dans les circuits amplificateurs ou déphaseurs, qui ont été présentés par ailleurs, la présence des non-linéarités est un inconvénient dont il faut éventuellement tenir compte. Cet article présente plutôt les circuits pour lesquels la présence d’une non-linéarité est essentielle pour la réalisation des fonctions. Ces fonctions sont par exemple l’oscillation, le mélange, la multiplication ou la division de fréquence. Mais ces circuits peuvent aussi présenter des non-linéarités plus globales comportant en particulier des bifurcations qui deviendront à leur tour des inconvénients à traiter.
Dans les domaines micro-ondes et millimétriques, les applications concernent des systèmes tels que les boucles locales radio, les liaisons à haut débit point à point à porteuse millimétrique ou les radars pour voiture. Ces systèmes imposent leurs types de modulation tels que modulations de phase, de fréquence ou d’amplitude (MAQ). Dans ces applications, pour des raisons de coût et de performances, les sous-ensembles sont de plus en plus réalisés en monolithique. Mais la réalisation monolithique des fonctions a des répercussions sur les circuits eux-mêmes car il faut éliminer le plus possible les parties qui doivent faire appel à des techniques hybrides. Ainsi pour les oscillateurs, les boucles à verrouillage de phase remplacent dans certains cas des résonateurs diélectriques, surtout depuis que sont apparus des résonateurs piézoélectriques qui peuvent être réalisés en technologie MEMS. Mais l’utilisation de ces boucles conduit à employer des circuits diviseurs ou multiplicateurs de fréquence. De même, lors de réalisations monolithiques de mélangeurs, les circuits de filtrage à bande étroite qui n’existent généralement qu’en hybride, sont remplacés par des circuits à suppression d’oscillateur local ou à suppression de fréquence image beaucoup plus faciles à réaliser en monolithique.
Ce sont tous ces aspects qui sont évoqués dans les circuits qui sont présentés dans cet article. Il s’agit d’abord de tous les circuits oscillateurs puis les circuits de modulation ou démodulation puis des multiplicateurs et enfin des diviseurs de fréquence. Les circuits diviseurs de fréquence à régénération ont conduit au développement de méthodes de traitement des non-linéarités globales, c’est-à-dire comportant des bifurcations. Bien que n’étant pas entièrement décantées, ces méthodes seront évoquées dans la mesure où elles sont destinées à être utilisées dans d’autres circonstances, par exemple, dans les circuits fonctionnant en impulsions où les temps de montée et de descente peuvent comporter des instabilités importantes.
Les techniques de réalisation monolithiques gagnent peu à peu les sous-ensembles et elles génèrent des règles de conception particulières. Le dernier paragraphe effectue un survol de ce domaine et présente quelques réalisations.
L’étude des circuits intégrés monolithiques micro-ondes se compose de plusieurs articles :
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[E 1 425] MMIC-Évolution et technologie traitant de l’évolution et de la technologie des MMIC ;
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[E 1 426] MMIC-Composants actifs et [E 1 427] MMIC- Composants passifs qui passent en revue les composants passifs et actifs micro-ondes ;
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[E 1 428] qui décrit les MMIC déphaseurs et amplificateurs ;
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[E 1 429] MMIC – Oscillateurs, mélangeurs, convertisseurs qui traite de la modulation, démodulation et conversion de fréquence.
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5. Sous-ensembles monolithiques
5.1 Avantages des sous-ensembles monolithiques
Toutes les applications micro-ondes, des antennes à balayage électronique aux radars pour voiture, ou des boucles locales radio à 24 GHz aux liaisons à très large bande à 60 GHz, passent par la réalisation de sous-ensembles complexes réunissant des fonctions d’amplification, d’oscillation, de mélange ou de multiplication de fréquence. Suivant une tendance qui existe à plus basse fréquence, l’objectif est d’intégrer de tels sous-ensembles sur un nombre réduit de puces ou même sur une seule puce. Cette intégration présente plusieurs avantages qui sont résumés ci-dessous.
En fréquences micro-ondes ou millimétriques, les connexions entre puces introduisent des variations aléatoires qui peuvent être éliminées par des connexions sur une seule puce parfaitement calculées avec un logiciel de CAO.
Cette connexion directe enlève aussi toute nécessité de réglage extrêmement coûteux au moment du montage.
Pourvu que le rendement de fabrication n’en soit pas dégradé, le fait de mettre un sous-ensemble sur une seule puce permet de diminuer considérablement le prix de ce sous-ensemble.
Cette intégration donne une plus grande stabilité thermique au sous-ensemble.
Le remplacement d’un montage hybride par une seule puce permet de diminuer la place occupée, le poids, et surtout le coût d’un sous-ensemble. L’avantage du poids est généralement très recherché pour les applications aérospatiales et spatiales, l’ensemble des trois avantages est un facteur clé de l’entrée sur le marché des systèmes portables comme un smartphone ou une tablette.
La réduction d’un sous-ensemble à deux ou trois puces permet d’optimiser les technologies pour chacune des parties (puissance et faible bruit) et de répartir les circuits sur chaque puce en optimisant les connexions.
HAUT DE PAGE5.2 Quelques règles de conception
La conception de sous-ensembles micro-ondes ou millimétriques fait appel à une démarche de conception d’architecture de systèmes. Cette démarche est bien connue pour la partie basse du spectre micro-onde où la conception d’un système tel qu’un émetteur-récepteur de radiotéléphone fait systématiquement...
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Sous-ensembles monolithiques
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ANASTASSIADES (J.), KAMINSKY (D.), PEREA (E.), POEZEVARA (A.) - Solid-State Microwave Generation (Génération de fréquences micro-ondes en état solide). - Microwave Technology Series 4, Chapman et Hall (1992).
-
(2) - PATAUT (G.), PAVLIDIS (D.) - X-band Varactor Tuned Monolithic GaAs FET Oscillators (Oscillateurs accordables par varactor monolithiques en bande X). - Int. J. Electronics, 64-5, p. 731-751 (1988).
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(3) - KUROKAWA (K.) - Some Basic Characteristics of Broadband Negative Resistance Oscillator Circuits (Quelques caractéristiques de base des oscillateurs à résistance négative à large bande). - The Bell System technical Journal, p. 1937-1955, juil.-août 1969.
-
(4) - CASTAGNÉ (R.), DUCHEMIN (J.-P.), GLOANEC (M.), RUMELHARD (Ch.) - Circuits intégrés en Arséniure de gallium. - Masson (1989).
-
(5) - AHDJOUJ (A.) - Conception de VCO à faible bruit de phase en technologie monolithique PHEMT dans les bandes K et Ka. - Thèse de doctorat...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Plateformes de CAO (Cadence, ADS)
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En complément de cette étude sur les MMIC, nous avons sélectionné quelques photos de circuits qui nous ont semblé parmi les plus représentatives ou les plus intéressantes.
Ces photos proviennent de la société UMS (United Monolithic Semiconductors) ( https://www.ums-rf.com/ )
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