Etude en radiofréquences de transistors à effet de champ MOS partiellement désertés en technologie

Daviot Renaud

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• Langue: Français

Extrait

INTRODUCTION

INTRODUCTION
Dans nos sociétés modernes, les communications sont un enjeu important pour nos
activités quotidiennes. Les liaisons satellitaires ou terrestres, entre appareils ou individus
constituent le flot journalier des transmissions. Afin d'assurer ces échanges, le signal analogique
devient le relais de la parole, de l'image et des données. Avec l'augmentation de la quantité
d'information à véhiculer, l'électronique analogique qui est le support du signal doit faire face à
des contraintes imposées par la nature de l'échange, de l'utilisateur et la physique. Ainsi, les
systèmes nécessitent une forte intégration de ses composants afin d'assurer des opérations de
plus en plus complexes sur les signaux numériques et analogiques. Ceci impose par conséquent
une bonne adéquation entre les zones de traitement du signal numérique et les éléments
analogiques, réalisés dans la même puce. Concernant la mobilité et l'autonomie des systèmes
électroniques, leur consommation énergétique doit être faible pour permettre une alimentation
par des batteries peu volumineuses. Enfin, la réalisation des circuits requiert l'optimisation de
leurs constituants sans dégrader leurs performances. Ceci nécessite de minimiser les pertes liées
aux lignes de transmission, aux divers effets de couplage et au bruit électronique.
Afin de satisfaire toutes ces conditions, les caractéristiques de ces systèmes s'appuient sur
[1,2]des normes définies en fonction de l'utilisation finale . Elles sont définies en fonction de :
• la puissance du signal émis en sortie.
(33 dBm pour le GSM, 27 dBm pour le W-CDMA)
• la sensibilité aux signaux reçues en entrée.
(-117 dBm pour le W-CDMA, -104 dBm pour le CDMA)
• la fréquence de fonctionnement.
(1,575 GHz pour le GPS, 2,4 GHz pour le WiFi ou 802.11b, WLAN ou
802.11g et Bluetooth, 5,2 GHz pour l'OFDM, 802.11a, HiperLAN2,
28 à 31 GHz pour le LMDS)
• la bande passante.
(1,3 GHz pour le LMDS)
• la linéarité dans la bande passante.

Suivant les applications visées, ces normes sont plus ou moins contraignantes vis-à-vis du
circuit à réaliser. Dans le domaine des micro-ondes, ces applications sont essentiellement liées
aux systèmes de communication par radio, aux ‛‛pagers”, aux communications par satellites
(apparu en 1945), à la téléphonie mobile (1985), aux réseaux locaux sans fil (1990) et à la
navigation par satellite (1991). L'électronique analogique micro-onde est également employée
pour les radars civils et militaires dans des domaines tels que la météorologie, l'aérospatiale,
l'automobile, la cartographie, l'identification, la surveillance mais également pour l'armement. En
définitive, il existe une grande variété d'applications des systèmes micro-ondes dont l'activité
majeure reste les télécommunications.
Le prochain paragraphe décrit les étages analogiques composant un système de
communication. La conception de ce système nécessite une technologie adaptée aux besoins des
micro-ondes. Un aperçu de ces technologies est donné en seconde partie de cette introduction.
Les dispositifs sur silicium sont comparés par rapport aux autres types de substrat. Notamment,
parmi la famille du silicium, la technologie Silicium-Sur-Isolant ou SOI possède un potentiel
important pour rivaliser face aux procédés coûteux mais performants sur substrat AsGa. Un
29INTRODUCTION

historique du SOI est ensuite donné. Celui-ci s'appuie sur les divers procédés technologiques de
réalisation de ces substrats. Enfin, cette introduction se poursuit par une comparaison entre les
technologies SOI et silicium massif pour les transistors à effet de champ MOS, et se termine par
un dernier paragraphe consacré au plan de ce mémoire.
1- Les dispositifs intégrés
À partir des années 1990, le besoin de circuits micro-ondes connu une croissance
fulgurente. Avec l'amélioration des outils de conception assistée par ordinateur, il fut possible
d'accroître le niveau de complexité dans la réalisation de circuits analogiques micro-ondes. Pour
des raisons de réduction de coûts et d'augmentation des performances, les systèmes actuels
tendent à intégrer l'ensemble des fonctionnalités analogiques et numériques sur une seule puce
électronique. Ces éléments, ‛‛Systems-On-Chip” ou SOC ou ‛‛Systems-In-Package” ou SIP,
comprennent, dans le cadre d'un équipement de téléphonie mobile les étages de réception, de
conversion analogique/numérique, de décodage et de traitement du signal numérique et enfin
l'étage d'émission. La figure 1 donne un exemple typique d'une chaîne de traitement pour un
[1]téléphone cellulaire d'après des représentations données par Larson . L'étage de réception peut
[3]devenir plus complexe lorsque le dispositif fonctionne en multibande . Actuellement, ces
systèmes tendent à incorporer des solutions plus complexes comme le décodage MPEG pour la
vidéo, le gps ou des unités de calcul comme les micro-processeurs.


Démodulateur
A/N Filtre Filtre LNA VGA LNA SAW SAW Oscillateur Oscillateur Interrupteur RF
Local RF Local RF
Modulateur
A/N Filtre PA VGA VGASAW Oscillateur
Local RF
Microcontrôleur L C D

1 2 3
4 5 6 7 8 9
* 0 #
Figure 1 : Exemple d'un schéma possible d'un téléphone cellulaire
avec ses étages de réception et d'émission.
Dans le système présenté à la figure 1, trois types d'amplificateur sont présentés. Le LNA
est un amplificateur à faible niveau de bruit intrinsèque. Cet élément majeur constitue le premier
étage limitant les performances d'une de réception micro-onde. Par l'antenne, une variété de
signaux, dont le signal utile, atteint l'entrée du LNA. Sa fonction est, alors, d'amplifier ces signaux
sans apporter du bruit supplémentaire. Les caractéristiques optimales d'un LNA est un gain élevé,
une large bande passante, une faible consommation et un niveau de bruit interne négligeable. Ces
caractéristiques dépendent des transistors employés. Deux technologies sont principalement en
concurrence pour ce type d'élément : les FET avec le MESFET AsGa et les bipolaires avec le
HBT SiGe. Dans la suite de ce chapitre, d'autres technologies émergentes seront définies et
positionnées par rapport aux deux précédentes. Le PA correspond à un amplificateur de
puissance. Cet amplificateur doit satisfaire à des contraintes de gain, de puissance de sortie et de
consommation. Typiquement, des amplificateurs de classe AB sont utilisés. Enfin, le VGA, ou
30
Traitement du signalINTRODUCTION

amplificateur à gain variable, permet d'ajuster le niveau de puissance reçu ou émit, en fonction de
la localisation de l'utilisateur par rapport aux bornes radios de son opérateur téléphonique.
Les VCO, ou les oscillateurs contrôlés par une tension, sont des dispositifs qui
démodulent le signal micro-onde dans la bande de base et inversement. Ces éléments nécessitent
un faible niveau de bruit de phase, être accordé sur une plage de fréquence fixe, être indépendant
de la température, des dérives liées au procédé de fabrication, de la charge de sortie et des
variations de puissance. Les interrupteurs RF analogiques placés à l'entrée du circuit, après
l'antenne, permutent entre le signal reçu et le signal émis. Les deux principales qualités d'un
interrupteur RF sont le maintien de la linéarité à l'état passant et une parfaite isolation à l'état
bloqué.
Tous ces circuits nécessitent une optimisation des paramètres lors de leur conception.
Suivant la technologie employée, l'amélioration des performances se fera sur la base d'un
compromis. Un aperçu des paramètres à ajuster pour la conception de circuits analogiques est
donné à la figure 2. Par exemple, il est possible d'améliorer le gain mais au détriment de la
sensibilité en entrée du circuit, donc du bruit, ou de la puissance consommée.

Gain
Puissance Tension
consommée d'alimentation

Circuit
Bruit Vitesse Analogique


Adaptation Bande
en entrée/sortie Passante
Linéarité
Figure 2 : Octogone représentant les paramètr