FR2597680A1 - Dispositif semiconducteur incluant un circuit amplificateur-melangeur distribue. - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR INCLUANT UN CIRCUIT AMPLIFICATEUR-MELANGEUR DISTRIBUE, CE CIRCUIT ETANT CONSTITUE DE PLUSIEURS TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP COMPRENANT CHACUN DEUX BORNES PRINCIPALES DITES SOURCE ET DRAIN ET DEUX BORNES DE COMMANDE PRINCIPALES DITES SOURCE ET DRAIN ET DEUX BORNES DE COMMANDE DITES PREMIERE ET SECONDE GRILLE, CES TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP ETANT MONTES DE MANIERE TELLE QUE LEURS PREMIERES ET SECONDES GRILLES SONT CONNECTEES A DES INDUCTANCES POUR FORMER DES LIGNES DE TRANSMISSION DITES PREMIERE ET SECONDE LIGNES DE GRILLE, QUE LEURS DRAINS SONT CONNECTES A DES INDUCTANCES POUR FORMER UNE LIGNE DE TRANSMISSION DITE LIGNE DE DRAIN, ET QUE LEURS SOURCES SONT RELIEES A LA MASSE, LA DISTRIBUTION DES TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP LE LONG DES LIGNES DE GRILLE ET DE DRAIN ETANT FAITE DE MANIERE TELLE QUE CES LIGNES SONT PERIODIQUEMENT CHARGEES PAR LEUR PROPRE IMPEDANCE ET PAR LES CAPACITES DE GRILLE ET DE DRAIN DES TRANSISTORS CONSTITUANT AINSI DES LIGNES DITES "ARTIFICIELLES" ET DE MANIERE TELLE QU'UN SIGNAL D'ENTREE ALTERNATIF EST APPLIQUE SUR L'ENTREE DE CHACUNE DES LIGNES DE GRILLE ET UN SIGNAL ALTERNATIF AMPLIFIE EST PRELEVE SUR LA RECEPTION DES EMISSIONS DE TELEVISION RELAYEES PAR SATELLITES ARTIFICIELS ET CIRCUITS AMPLIFICATEURS MELANGEURS INTEGRES LARGE BANDE. APPLICATION: CIRCUITS AMPLIFICATEURS MELANGEURS INTEGRES, POUR LA RECEPTION DES EMISSIONS DE TELEVISION RELAYEES PAR SATELLITES ARTIFICIELS ET CIRCUITS AMPLIFICATEURS MELANGEURS INTEGRES LARGE BANDE.

Description

DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR INCLUANT UN CIRCUIT AMPLIFICATEUR
MELANGEUR DISTRIBUE
L'invention concerne un dispositif semiconducteur incluant un circuit amplificateur-mélangeur distribué, ce circuit étant constitué de plusieurs transistors à effet de champ comprenant chacun deux bornes principales dites source et drain et une borne de commande dite première grille, ces transistors à effet de champ étant montés de manière telle que leurs premières grilles sont connectées à des inductances pour former une ligne de transmission dite première ligne de grille, que leurs drains sont connectés à des inductances pour former une ligne de transmission dite ligne de drain, et que leurs sources sont reliées à la masse, la distribution des transistors à effet de champ le long des lignes de grille et de drain étant faite de manière telle que ces lignes sont périodiquement chargées par leur propre impédance et par les capacités de grille et de drain des transistors constituant ainsi des lignes dites "artificielles" et de manière telle qu'un signal d'entrée alternatif est appliqué sur l'entrée de la première ligne de grille et un signal alternatif amplifié est prélevé sur la sortie de la ligne de drain, les extrémités des lignes de grille et drain opposées aux entrées étant fermées sur des charges.

L'invention trouve son application dans la réalisation de circuits mélangeurs de fréquences, intégrés et fonctionnant sur une très large bande de fréquences par exemple
O Hz à 20 GHz.

Un amplificateur-mélangeur distribué est connu de l'état de la technique par la publication de TANG O.S.A. et
AITCHISON C.S. dans EUMC (1984, Liège) intitulée "A microwave
Distributed MESFET MIXER.

Ce document décrit un amplificateur distribué formé d'étages constitués de transistors à effet de champ dont les grilles sont connectées à une ligne de grille, dont les drains sont connectés à une ligne de drain, dont les sources sont à la masse. Ces transistors à effet de champ sont du type monogrille et forment donc un élément actif à deux portes : une entrée et une sortie. Cet amplificateur distribué connu assure en outre la fonction de mélangeur du fait qu'un signal de fréquence radio RF est appliqué sur l'entrée de la ligne de grille et du fait que ce signal est modulé par le signal d'un oscillateur local LO appliqué également sur Entrée de cette même ligne de grille par l'intermédiaire d'un coupleur passif extérieur à l'amplificateur distribué.

Ce circuit connu présente plusieurs inconvénients. En premier lieu, le signal de l'oscillateur local LO et le signal de fréquence radio RF sont appliqués sur la même entrée. Ainsi du fait que les transistors sont monogrille, l'isolation entre entrée et sortie est faible, et un mélange de signal non désiré peut donc advenir. De plus la charge sur le drain est élevée ce qui entraîne une baisse du facteur de qualité de la ligne de drain. En second lieu, le coupleur par l'intermédiaire duquel le signal de l'oscillateur local est appliqué, n'est pas, dans l'état actuel de la technique mono- lithiquement intégrable avec le circuit amplificateur distribué.De plus il est extrêmement difficile de réaliser un tel coupleur fonctionnant sur une aussi large bande de fréquences que celle de l'amplificateur distribué : typiquement O à 20
GHz. La bande passante du circuit en tant que mélangeur sten trouve donc diminuée.

C'est pourquoi la présente invention propose un circuit qui permet de s'affranchir de ces inconvénients.

Selon l'invention, ce but est atteint au moyen d'un dispositif tel que décrit dans le préambule, caractérisé en ce que les transistors à effet de champ inclus dans le circuit amplificateur-mélangeur comprennent en outre une seconde borne de commande dite seconde grille, en ce que lesdites secondes grilles sont connectées à des inductances pour former une ligne de transmission dite seconde ligne de grille pour un second signal d'entrée alternatif à une seconde fréquence applique sur l'entrée de cette seconde ligne de grille, le signal alternatif amplifié, en sortie de la ligne de draine étant alors le mélange du premier et du second signal alternatif d'entrée, et en ce que les extrémités des lignes de grille et de drain sont munies pour chaque ligne d'une charge d'entrée identique à la charge de sortierlesquelles ont respectivement pour impédance la partie résistive de l'impédance ca ractéristique de la ligne considérée.

Le dispositif selon l'invention présente alors, entre autres, les avantages suivants :
- les entrées et sorties sont bien isolées,
- une charge peu élevée est placée sur la ligne de drain, le facteur de qualité se trouve donc augmenté,
- l'isolation entre chaque première grille et chaque seconde grille des transistors est très bonne, par consaquent la fonction de chacune des grilles en tant qu'entrée active peut être interchangée.En particulier, dans le cas de l'application à la réception des émissions de télévision relayées par satellites artificiels, où un signal de fréquence radio RF est mélangé au signal d'un oscillateur local LO, d'une part le signal de l'oscillateur local peut entre appliqué directement sur l'une des lignes de grille, et d'autre part l'un ou l'autre des signaux RF et LO peut être appliqué sur l'une ou l'autre des lignes de grille sans aucune préférence,
- chacune des trois portes constituées par les deux grilles et le drain peut être adaptée en impédance selon les besoins de manière à présenter une impédance caractéristique fixe choisie.Ainsi l'impédance caractéristique de la première porte peut être totalement différente de l'impédance caractéristique de la seconde porte, qui peut elle-meme être complètement différente de l'impédance caractéristique de la troisième porte, ces impédances pouvant être sans ineonvé- nients très faibles ou très élevées,
- l'amplificateur-mélangeur selon l'invention montre une bande passante considérablement élargie par rapport au circuit connu de l'état de la technique, puisqu'elle n'est pas limitée par la bande passante d'un coupleur, et peut admettre les fréquences allant du continu à 20 GHz,
- le circuit selon l'invention est compact, et monolithiquement intégrable sur un matériau semiconducteur favorable tel que l'arséniure de gallium (casas) par exemple.

L'invention sera mieux comprise au moyen de la description suivante illustrée par les figures annexées dont :
- la figure 1 qui représente un circuit amplificateur-mélangeur conforme à l'invention,
- la figure 2 qui représente la cellule élémentaire de cet amplificateur-mélangeur.

Tel que représenté sur la figure 1, le dispositif semiconducteur selon l'invention comprend un amplificateur distribué constitué d'un nombre n d'étages. Dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 1 ce nombre n est égal à 4.

Chaque étage de l'amplificateur distribué est formé d'un transistor à effet de champ double-grille, respectivement T1, T2, T3, T4, qui est utilisé ici comme un composant actif à trois portes, c'est-à-dire qui comporte deux entrées recevant chacune un signal alternatif et une sortie pour un signal alternatif amplifié qui est le mélange en fréquence des deux signaux d'entrée.

Ce dispositif comprend également une première ligne de grille LG1 formée des inductances Llls L'lys L12, L'12 L13 L'13, L14 L'14, une seconde ligne LG2 formée des inductances L21, L'2l, L22, L'22, L23, L'23, L24, L 24 et une ligne de drain LD formée des inductances L31, L'31, L32, L'32, L33,
L'33, L34, L'34.

Il est évident que si le nombre n des étages choisi est différent de 4, alors des inductances Livet L'in sont disposées en conséquence pour former les lignes LG1, LG2 et LD.

Dans l'exemple de réalisation décrit, n étant limité à 4, les grilles des transistors T1, T2, T3, T4, dites premières grilles G1 sont connectées de façon périodique à la première ligne de grille LG1, entre les inductances, aux noeuds 11, 12, 13, 14 respectivement.

Les grilles de ces transistors, dites secondes grilles G2 sont connectées de façon périodique à la seconde ligne de grille LG2, entre les inductances, aux noeuds 21, 22, 23, 24 respectivement et les drains des transistors sont de même connectés à la ligne de drain aux noeuds 31, 32, 33, 34 respectivement, les sources étant portées à la masse.

Un premier signal alternatif E1 à une première fréquence fl est appliqué à l'entrée de la première ligne de grille LG1, un second signal alternatif E2 à une seconde fréquence f2 est appliqué à l'entrée de la seconde ligne de grille LG2 et un signal alternatif de sortie S, dont la fréquence est la différence des fréquences de E1 et E2, est prélevé en sortie de la ligne de drain LD.

Les impédances propres des éléments Lij et L'ij de chaque ligne de grille forment avec les capacités grillesource CGS des transistors à effet de champ T1, T2, T3, T4, des lignes hyperfréquences distribuées dites lignes de transmission artificielles.

Il en est de même pour la ligne de drain entre les impédances propres des éléments Lij, L'ij et les capacités drain-source des transistors à effet de cham T1, T2, T3, T4.

Le principe de fonctionnement de ce dispositif est illustré par la figure 2 qui montre en détail un étage de l'amplificateur distribué, selon l'invention.

Deux inductances identiques Lij et L'ij sont appliquées sur chaque noeud ij de manière à ce que chaque étage se trouve être complètement symétrique en ce qui concerne aussi bien les deux lignes de grille LG1 et LG2, que la ligne de drain LD.

La cellule élémentaire est alors constituée comme il est montré figure 2. Sur la grille G1, dite première grille, sont appliquées les deux inductances identiques L1j et L'. Sur la grille G2, dite seconde grille, sont appliquées les deux inductances identiques L2j et L'2j. Et sur le drain sont appliquées les deux inductances identiques L3j et L'3j, la source étant portée à la masse.

Le signal alternatif E1 se propage sur la première ligne de grille en direction de E'1, le second signal alternatif E2 se propage sur la seconde ligne de grille en direction de E'2. Sur la ligne de drain sont disponibles à la fois S et S'.

Le principe de fonctionnement de l'amplificateur distribué est fondé sur la propagation des signaux le long des lignes de transmission artificielles LG1, LG2 et LD. Lorsqu'un signal alternatif E1 ou E2 est appliqué sur l'une des lignes de grille LG1 ou LG2, il se propage en excitant chaque transistor qui fournit alors une puissance de sortie capable de se propager sur la ligne de drain LD. Si les vitesses de phase des lignes de grille et de la ligne de drain sont identiques, la puissance s'additionne en phase lors de la propagation le long de la ligne de drain. Ainsi lorsque les signaux E1 et E2 sont appliqués à la fois sur les entrées des lignes de grille, la sortie S de la ligne de drain fournit le mélange des deux signaux, en fonction du régime de fonctionnement et de la polarisation.

Comme il a été dit, sur la ligne de drain, une partie de l'onde se dirige vers la sortie S (voir figure 1) et une autre partie se dirige vers S'. Mais cette dernière onde arrivant en S' est très atténuée, si bien que la plus grande partie du signal se dirige vers S.

La disposition des impédances Lij et L'ij appliquées aux deux grilles et au drain dans la cellule élémentaire fait que l'application des signaux alternatifs sur l'une ou l'autre grille est totalement indifférente. En effet, il suffit simplement d'adapter chacune des lignes par une impédance de charge Zc, respectivement de valeur ZOl, Z02, Z03 pour les deux extrémités des lignes LG1, LG2 et celles de la ligne LD, cette impédance Zc étant choisie en fonction du signal qui doit être appliqué sur chacune des lignes.

Ces impédances Zc sont donc identiques pour les deux extrémités d'une même ligne mais peuvent être différentes les unes des autres d'une ligne à l'autre, par exemple dans un rapport 10. Ou bien encore elles peuvent être toutes très faibles. Simplement les inductances Lij et L'ij d'une même ligne sont choisies sensiblement toutes identiques pour que la vitesse de propagation du signal le long d'une ligne soit constante sur toute cette ligne.

Les impédances de charge Zc, c'est-à-dire 1011 Z02 Z03 sont égales à la partie résistive de l'impédance caractéristique des lignes respectives LG1, LG2, LD.

Dans l'exemple choisi de l'application du circuit selon l'invention à la réception des émissions de télévision relayées par satellites artificiels, un signal principal de fréquence radio RF doit être mélangé au signal d'un oscillateur local LO. Or le signal LO est en général grand devant le signal RF, ce qui crée de grosses difficultés. Le dispositif selon l'invention permet de surmonter ces difficultés d'une façon particulièrement simple, puisque malgré leur grande différence d'amplitude, chacun de ces signaux peut être appliqué directement sur une ligne de grille du fait de la très bonne isolation de ces lignes entre elles.

De plus l'application de ces signaux sur l'une ou l'autre grille est interchangeable, en changeant simplement les impédances Z01, Z02, Z03 d'adaptation, ce qui permet d'optimiser le fonctionnement et le rendement électrique du circuit.

Outre une bonne isolation entre grilles, ces trsnsistrs montrent une bonne isolation entre entrées et sortie qui permet d'utiliser le dispositif en trois portes indépendantes.

Ainsi, les trois portes du dispositif selon l'invention représentent une adaptation parfaite aux deux générateurs des signaux alternatifs E1 et E2 appliqués sur les entrées, et une adaptation parfaite à toute charge de sortie.

Aucune adaptation extérieure supplémentaire n'est nécessaire.

D'autre part, l'application de l'invention n'est pas limitée à des signaux de fréquence fixe ou bien définie dans une bande de fréquence étroite, tels que ces signaux d'émission de télévision. Le dispositif selon l'invention est au contraire très large bande, sa bande passante n'étant pas limitée par celle d'un coupleur comme dans le document cité comme état de la technique. La fréquence de coupure du dispositif n'est limitée que par la fréquence de coupure des transistors et par celle des lignes artificielles. En conséquence, si les transistors à effet de champ et les lignes sont intégrés sur un matériau favorable tel que l'arséniure de gallium par exemple, une bande de fréquence de fonctionnement aussi large que O à 20 GHz peut être obtenue. Pour que la fréquence 0 puisse être atteinte, il est seulement besoin de prévoir, sur les charges, des capacités de découplage. On notera cependant que, dans certains cas, suivant la place disponible sur le substrat et la valeur de ces capacités de découplage, il peut arriver que ces dernières ne soient pas intégrables.

L'utilisation de transistors double-grille dans la cellule élémentaire du dispositif permet encore d'obtenir une impédance de sortie 5 à 10 fois plus élevée qu'avec un monogrille et donc de diminuer les pertes associées aux facteurs de qualité de la ligne de drain.

On notera que l'utilisation de transistors à effet de champ double-grille pour réaliser un amplificateur distribué est déjà connu de l'état de la technique par la publication de WAYNE KENNAN et alii dans "1984 IEEE, p.41 à 44" intitulée "A miniature 2-18 GHz monolithic GaAs distributed amplifier". Mais dans le circuit décrit, la seconde grille n'est pas utilisée comme entrée pour un signal alternatif. Une tension continue y est appliquée pour obtenir un contrôle automatique du gain. Cette grille n'est donc pas une porte active en haute fréquence et ce transistor n'est donc pas utilisé comme un trois portes, mais au contraire comme un deux portes. Ce circuit connu n'est donc pas un mélangeur, mais seulement un amplificateur distribué à gain variable. Les grilles ne sont pas non plus ici interchangeables.

On notera également qu'un étage mélangeur incluant un transistor double-grille est connu de l'état de la technique par le brevet FR -2 498 843. Selon ce document, un signal hyperfréquence est appliqué au moyen d'un circuit d'adaptation sur la grille la plus proche de la source. D'autre part, une fonction d'oscillation à une seconde fréquence est déclenchée en appliquant une charge bien définie sur la grille la plus éloignée de la source. Enfin un élément sélectif est placé sur le drain pour court-circuiter certaines fréquences et sélectionner un signal dans une bande de fréquences étroite. Il s'agit donc ici d'un circuit oscillateur-mélangeur qui oscille à une fréquence fixe sur une impédance fixe et fournit en sortie un signal de fréquence fixe en bande étroite. De plus, là encore, les grilles ne sont pas interchangeables.

Dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 1, l'amplificateur-mélangeur selon l'invention est donc constitué de quatre transistors T1, T2, T3, T4.

- La largeur de grille est W = 300/um
- La longueur de grille est QG = 0,5/um
- La tension de pincement est VT = 3V
- La tension drain-source est VDS = 5V
- Le courant est environ 10 mA par étage
- Le gain pour le circuit est de l'ordre de 5 à 7dB
- La puissance totale consommée est environ 200 mW.

- Le gain qui est, en première approximation, proportionnel à la pente est GH ~ 20 à 30 mS
- Le facteur de bruit ~ 6 dB
- Le gain de conversion ~ 6 dB
En adoptant pour les impédances de charge Zc = Z01 = Z02 = Z03 des valeurs de 50 Q , et en tenant compte des impédances caractéristiques de chaque cellule, c'est-à-dire environ 0,3 pF pour les capacités grille-source CC#, cela amène à choisir pour les lignes des inductances entre chaque point de connexion 11, 12, 13...21, 22,...31, 32...etc de l'ordre de
Lij = L'ij = 0,75 nH correspondant à une impédance de charge

cette relation exprimant la dépendance des impédances Zc vis à vis des capacités grille-source.

Le circuit selon l'invention peut être réalisé au moyen de lignes de transmission formées par des rubans conducteurs disposés sur le même substrat que les transistors à effet de champ. Suivant la fréquence, ou la longueur d'onde transportée, ces lignes se comportent alors comme des éléments localisés, c'est-à-dire des inductances pures, ou bien comme des éléments à constantes réparties, c'est-à-dire des inductances associées à des capacités dont la valeur dépend de la surface du ruban conducteur vis à vis du substrat et de la permittivité de ce dernier. Ces capacités doivent alors être prises en compte dans le calcul des impédances constituant les lignes artificielles.

D'autre part, comme les impédances de charge dépendent des capacités grille-source des transistors, pour obtenir des impédances de charge de différentes valeurs en vue d'applications particulières, il suffit de faire varier la longueur de grille des transistors pour obtenir des capacités grille-source différentes. Ainsi dans des applications particulières, il pourra être souhaité d'obtenir des impédances de charge de valeurs différentes sur la première ligne de grille et sur la seconde ligne -de grille. Il suffira alors de choisir pour les transistors des premières grilles présentant une longueur différente de celle des secondes grilles.

Claims (5)

REVENDICATIONS :

1. Dispositif semiconducteur incluant un circuit amplificateur-mélangeur distribué, ce circuit étant constitué de plusieurs transistors à effet de champ comprenant chacun deux bornes principales dites source et drain et une borne de commande dite première grille, ces transistors à effet de champ étant montés de manière telle que leurs premières grilles sont connectées à des inductances pour former une ligne de transmission dite première ligne de grille, que leurs drains sont connectés à des inductances pour former une ligne de transmission dite ligne de drain, et que leurs sources sont reliées à la masse, la distribution des transistors à effet de champ le long des lignes de grille et de drain étant faite de manière telle que ces lignes sont périodiquement chargées par leur propre impédance et par les capacités de grille et de drain des transistors constituant ainsi des lignes dites "artificielles" et de manière telle qu'un signal d'entrée alternatif est appliqué sur l'entrée de la première ligne de grille et un signal alternatif amplifié est prélevé sur la sortie de la ligne de drain, les extrémités des lignes de grille et drain opposées aux entrées étant fermées sur des charges, caractérisé en ce que les transistors à effet de champ inclus dans le circuit amplificateur-mélangeur comprennent en outre une seconde borne de commande dite seconde grille, en ce que lesdites secondes grilles sont connectées à des inductances pour former une ligne de transmission dite seconde ligne de grille pour un second signal d'entrée alternatif à une seconde fréquence appliqué sur l'entrée de la seconde ligne de grille, le signal alternatif amplifié, en sortie de la ligne de drain, étant alors le mélange du premier et du second signal alternatif d'entrée, et en ce que les extrémités des lignes de grille et de drain sont munies pour chaque ligne d'une charge d'entrée identique à la charge de sortie, lesquelles charges ont respectivement pour impédance la partie résistive de l'impédance caractéristique de la ligne considérée.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour chaque étage de l'amplificateur, l'inductance appliquée sur chaque noeud de connexion des grilles et drain à une des lignes artificielles, est formée de deux inductances identiques.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que toutes les inductances d'une même ligne sont identiques.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est monolithiquement intégré sur un substrat en arséniure de gallium, les inductances étant formées par des lignes de transmission constituées de rubans conducteurs.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il admet des signaux d'entrée dont les fréquences sont comprises dans le domaine O Hz à 20 GHz, la fréquence

O Hz étant incluse.