FR2864727A1 - Circuit electronique comportant un resonateur destine a etre integre dans un produit semi-conducteur - Google Patents

Abstract

Circuit électronique comportant un résonateur destiné à être intégré dans un produit semi-conducteur comportant un résonateur (212, 222) ayant une première et une seconde fréquence de résonance caractérisé en ce qu'il comporte : - un premier élément compagnon de type inductif (213, 223) destiné à annuler ladite seconde fréquence de résonance, ledit élément compagnon présentant un coefficient de qualité QI (f) présentant une première valeur dans une gamme de fréquence prédéterminée et une seconde valeur hors ladite gamme de fréquence ; - un second élément compagnon de type capacitif (211, 221) permettant d'ajuster l'accord dudit résonateur (212, 222) sur ladite première fréquence.

Description

Circuit électronique comportant un résonateur destiné à

être intégré dans un produit semi-conducteur Domaine technique de l'invention La présente invention concerne le domaine des circuits microélectroniques 10 et plus spécialement un circuit électronique comportant un résonateur acoustique de type BAW destiné à être intégré dans un produit semi-conducteur.

Etat de la technique 15 Les résonateurs acoustiques sont des composants ayant fait l'objet de nombreuses études. D'une manière classique on distingue les résonateurs de type SAW (Surface Acoustic Resonator) et les résonateurs de type BAW (Bulk Acoustic Resonator). Dans les premiers, le résonateur acoustique est situé sur la surface d'un produit semiconducteur tandis que, dans les seconds, il est disposé à l'intérieur d'un volume délimité entre une électrode inférieure et une électrode supérieure en sorte que l'onde acoustique se développe dans ce même volume.

Les résonateurs acoustiques sont très utilisés en filtrage RF (Radio Frequency), et notamment en téléphonie mobile. Pour autant ils sont susceptibles de servir bien d'autres applications mais le principal obstacle à leur emploi réside dans la difficulté de les intégrer avec d'autres circuits électroniques dans un même produit semi-conducteur.

ST03-GR2-511 En effet, on constate de grandes dispersions dans les caractéristiques des composants qui sont issus des lignes de fabrication et ce même pour les résonateurs de type BAW qui sont ceux se prêtant le mieux à une disposition sur un substrat de silicium. Même si l'on se fixe un cahier des charges particulièrement ambitieux et forcément coûteux à mettre en oeuvre avec par exemple une tolérance de quelques pour cent sur les dimensions des éléments du résonateur on ne peut éliminer la dispersion sur les caractéristiques électriques du résonateur.

Classiquement on règle ce problème de dispersion en procédant à un tri sélectif des composants de manière à ne retenir que les produits issus des chaînes de fabrication qui sont conformes à un cahier des charges précis avec une marge de manoeuvre étroite.

Cette approche ne peut être envisagée lorsque l'on vise l'intégration d'un résonateur acoustique sur un substrat comportant d'autres circuits électroniques. En effet, dans ce cas, il ne saurait être question de mettre au rebus un grand nombre de produits fabriqués au seul motif qu'une partie de ce produit qui ne représente qu'une fraction de la valeur ajoutée totale de ce dernier ne présente pas les caractéristiques spécifiées dans le cahier des charges.

Il y a ici un obstacle rédhibitoire à l'intégration directe de ces composants acoustiques dans un circuit intégré et susceptible de freiner l'usage généralisé de ces résonateurs, pour les applications RF mais pas exclusivement.

Les documents suivants illustrent l'état de la technique connue: L'ouvrage de référence RF MEMS Circuit Design for Wireless, Communications , Hector J. De Los Santos, Artech House, ISBM 1-58033 329-9, 2002, p. 163 et s. comporte des informations générales sur les résonateurs acoustiques de type BAW. Cet ouvrage laisse sous silence le problème de l'intégration des résonateurs BAW dans un circuit intégré.

On a envisagé la question de l'intégration des résonateurs de type BAW dans un circuit intégré dans le document FBAR Filters at Ghz frequencies de C. ST03-GR2-511 VALE, J. ROSENBAUM, S. HORWITZ, S. FRISHNASVAMY et R. MOORE, in FORTY FOURTH ANNUAL SYMPOSIUM ON FREQUENCY CONTROL, IEEE INTERNATIONAL FREQUENCY CONTROL SYMPOSIUM, 1990. On y décrit l'emploi, sur un même substrat de composants de type FBAR et ce en combinaison s avec des éléments passifs afin de réaliser des circuits de filtrage. Ce document n'aborde pas le problème de l'intégration de ces composants dans un produit semi-conducteur et, en outre, ne décrit pas la manière d'accroître la précision du procédé de fabrication pour permettre leur intégration.

lo Le brevet US 5,446,306 intitulé Thin Film Voltage-tuned semiconductor bulk acoustic resonator (SBAR) " envisage le réglage d'un résonateur de type BAW au moyen d'une tension continue, mais ne décrit aucune manière concrète de procéder et laisse dans l'ombre la question de l'intégration de ces mêmes résonateurs.

Le brevet US 5,714,917 intitulé Device incorporating a tunable Thin Film Bulk Acoustic Resonator for performing amplitude and phase modulation décrit un résonateur de type BAW que l'on rend ajustable afin de réaliser une modulation d'amplitude et de phase. Ce document ne décrit nullement la manière de régler les fréquences de ce résonateur ni de surcroît comment on peut envisager son intégration sur un circuit intégré tout en palliant aux limitations inhérentes au procédé de fabrication.

Le brevet US 2004/0033794 intitulé Resonator configuration , publié le 19 Février 2004 décrit un procédé permettant d'accorder un résonateur disposé sur un circuit intégré au moyen d'un second résonateur de référence placé, lui également, sur le même substrat. Le résonateur de référence est utilisé dans un circuit de type VCO (Voltage Control Oscillator) pour générer une fréquence d'oscillation locale. Ce brevet laisse sous licence la manière concrète de procéder pour réaliser un accord précis et efficace du circuit utilisant le résonateur.

La demande de brevet français n 0315480 (référence demandeur 03-GR1-267) déposée le 29 Décembre 2003 par la présente demanderesse, intitulée Résonateur acoustique intégrable et procédé d'intégration d'un tel résonateur et non publiée à la date de dépôt de la présente demande, décrit un nouveau ST03-GR2-511 composant acoustique facilement intégrable sur un substrat de silicium. Ce composant est basé sur l'emploi d'un résonateur acoustique de type BAW (Bulk Acoustic Wave) présentant deux fréquences de résonance et un fort coefficient de qualité. Ce résonateur est associé à deux éléments compagnons judicieusement choisis, à savoir un premier élément de type inductif, variable ou non, et un second élément de type capacitif qui est en général variable. L'élément inductif est calé sur un voisinage des dites premières et seconde fréquence de résonance. La variabilité des deux éléments compagnons inductifs et capacitifs permet de régler les caractéristiques de l'ensemble que constitue le résonateur acoustique associé à ses deux éléments compagnons, et notamment les fréquences de résonances, d'antirésonance et leurs facteurs de qualité respectifs.

Il en résulte un nouveau composant résonateur réglable offrant un fort coefficient de qualité ainsi qu'une aptitude remarquable à l'intégration dans un produit semi-conducteur. On parvient de ce fait à pallier les insuffisances de précision de la ligne de fabrication et l'on peut envisager l'intégration de circuits particulièrement sophistiqués directement sur le substrat de silicium, et notamment un ensemble complet d'émission réception dans un unique produit semi-conducteur.

Ce composant peut être utilisé pour la réalisation de filtres intégrés de grandes performances.

On s'est aperçu lors des essais réalisés de la présence de remontées 25 gênantes sur les bandes latérales du spectre, lesquelles limitent alors l'atténuation hors bande du filtre réalisé au moyen de ce nouveau composant acoustique.

La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient.

ST03-GR2-511 Exposé de l'invention La présente invention a pour but un composant acoustique réglable qui offre 5 un fort coefficient de qualité et qui est parfaitement intégrable dans un produit semi-conducteur.

L'invention réalise ces buts au moyen d'un circuit électronique destiné à être intégré dans un produit semi-conducteur comportant au moins un premier composant résonateur doté d'un résonateur de type BAW disposant d'une fréquence de résonance et d'une fréquence d'antirésonance.

Le résonateur est associé à un premier élément compagnon de type inductif qui est calé dans un voisinage des fréquences dites de résonance et d'antirésonance et un second élément compagnon de type capacitif disposant d'une entrée de commande grandeur électrique de commande (Vtune) et permettant de venir ajuster l'accord du résonateur.

Suivant la présente invention, ledit premier élément compagnon présente un coefficient de qualité QI (f) ayant une première valeur dans une gamme de fréquence prédéterminée et une seconde valeur hors ladite gamme de fréquence. La valeur du coefficient de qualité est plus importante dans la gamme de fréquence recherchée et moins élevée hors cette gamme.

On parvient ainsi à réduire les remontées gênantes qui étaient présentes sur la caractéristique de fréquence du composant résonateur.

De préférence, l'élément compagnon inductif est placé en série et est calé dans un voisinage de la fréquence de résonance série dudit résonateur de manière 30 à renforcer l'effet de réglage sur la fréquence parallèle.

Alternativement, l'élément compagnon inductif est mis en parallèle et est calé sur la fréquence de résonance parallèle dudit résonateur de manière à renforcer l'effet de réglage sur la fréquence série.

ST03-GR2-511 De préférence, l'élément compagnon inductif comporte un circuit gyrateur basé sur deux amplificateurs à transconductance associé à un varactor commandé par ladite grandeur de commande (Vtune).

Dans un mode de réalisation particulier, l'élément compagnon capacitif est commandé en tension permettant d'accorder l'accord dudit résonateur.

De préférence, l'élément compagnon capacitif est un varactor commandé par ladite grandeur de commande (Vtune) Le circuit de l'invention est particulièrement adapté à l'utilisation de résonateurs acoustiques de type BAW.

Description des dessins

D'autres caractéristiques, but et avantages de l'invention apparaîtront à la 20 lecture de la description et des dessins ci-après, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Sur les dessins annexés: La figure la illustre une courbe d'impédance d'un résonateur acoustique de type BAW.

Les figures lb et l c rappellent le schéma électrique équivalent du résonateur acoustique de type BAW, respectivement suivant la représentation série et parallèle.

Les figures 2A et 2B illustrent deux modes de réalisation d'un composant acoustique réglable qui est commandé par un signal électrique.

Les figures 3A et 3B illustrent respectivement un filtre linéaire doté d'un CRR dont le compagnon inductif présente une courbe QI linéaire en fonction de la 35 fréquence, et la réponse en fréquence du filtre réalisé.

ST03-GR2-511 Les figures 4A et 4B illustrent respectivement un composant résonateur acoustique avec un élément inductif modifié suivant la présente invention, et la réponse en fréquence du filtre en résultant.

La figure 5a illustre le réglage dudit composant acoustique au moyen d'un varactor.

La figure 5b illustre le réglage dudit composant acoustique réglable au moyen 10 d'une inductance active.

La figure 5c illustre le réglage dudit composant acoustique réglable au moyen d'une inductance active flottante.

Description d'un mode de réalisation préféré

On décrira à présent plus particulièrement un mode de réalisation d'un circuit comportant un résonateur intégré conforme à la présente invention, et adapté à la réalisation d'un circuit de réception d'un signal RF utilisable notamment en téléphonie mobile.

En téléphonie mobile, et notamment dans les applications les plus récentes telles que le Wide Code Division Multiplexing Access (WCDMA), on rencontre la nécessité d'opérer un filtrage particulièrement performant afin de pouvoir séparer des canaux qui sont proches. Il est à noter qu'il ne s'agit là que d'un exemple non limitatif d'utilisation du nouveau composant acoustique intégrable dont on va à présent exposer les caractéristiques.

Dans l'invention, ce filtrage est effectué, non plus de manière discrète comme cela est le cas dans les systèmes connus, mais directement intégré sur le substrat de silicium avec d'autres circuits électroniques composant le récepteur. Dans le ST03-GR2-511 mode de réalisation préféré, le résonateur intégré est utilisé pour réaliser le filtrage linéaire permettant la sélection des canaux, et notamment un filtre passe-bande. Il est à noter qu'il ne s'agit là que d'un exemple non limitatif d'utilisation du nouveau composant acoustique intégrable dont on va à présent exposer les caractéristiques.

L'invention est basée sur l'emploi d'un nouveau composant acoustique, ciaprès désigné par l'expression Composant Résonateur Réglable - tel que décrit dans la demande de brevet français n 0315480 (ref 03-GR1-267) déposée le 29 Décembre 2003, et dont on reprendra ci-après à des fins de clarté les caractéristiques principales.

A cet effet, on utilise un résonateur acoustique basé sur un milieu diélectrique disposé sur un élément réfléchissant, tel un récepteur ou miroir de Bragg par exemple. On réalise un empilement de couches sur un substrat en silicium qui présentent des propriétés acoustiques et des constantes diélectriques différentes. Un tel élément acoustique est connu dans la littérature anglo-saxonne sous l'appellation Surface Mounted Resonator (SMR).

Alternativement, le résonateur pourra être de type Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR), à savoir disposé au dessus d'une cavité pour permettre la réflexion des ondes acoustiques et éviter leur amortissement.

Le résonateur BAW présente deux fréquences de résonance très proches, respectivement fs (série) et fp (parallèle), comme cela est illustré dans la figure la. Si l'on se ramène à un schéma électrique équivalent qui est représenté dans la figure 1 b, cela revient à considérer deux circuits résonants de type LC, respectivement série et parallèle, composés des éléments Lm, Cm et CO.

Dans l'approche connue, les deux circuits résonants sont employés simultanément à des fins de filtrage comme c'est le cas par exemple dans le document RF MEMS Circuit Design for Wireless Communications , Hector J; De Los Santos, Artech House, ISBM 1-58033 329-9, 2002, p. 163 et s.

ST03-GR2-511 Au contraire, dans la nouvelle approche qui est proposée, le CRR comporte un résonateur de type BAW qui est associé à au moins deux éléments compagnons et, de préférence, à un premier élément compagnon de type inductif, variable ou non, actif ou passif, et à un second élément compagnon de type capacitif, en général variable.

De façon surprenante, on a constaté qu'il y avait un grand avantage à choisir le premier élément compagnon de type inductif de façon à être calé dans un voisinage des fréquences de résonance et d'anti-résonance. De préférence le premier élément compagnon est une inductance variable dans le voisinage des fréquences de résonance et d'antirésonance..

Le second élément compagnon est de type capacitif et est en général variable, lui également en fonction d'une grandeur électrique, par exemple une 15 grandeur Vtune.

Lorsque le premier élément compagnon inductif est une inductance variable dans le voisinage des fréquences de résonance et d'antiréonsance, on pourra utiliser la même grandeur électrique Vtune pour commander sa valeur.

En venant commander ladite grandeur électrique Vtune on peut modifier considérablement les caractéristiques du Composant Résonateur Réglable composé du résonateur acoustique et de ses deux élément compagnons.

D'une manière surprenante, on observe que la combinaison des deux éléments compagnons ainsi choisis permettent de régler dans une large mesure les caractéristiques du CRR, et notamment de tout circuit électronique intégré le comportant, sans trop affecter les performances globales (fréquences de résonance et d'antirésonance, facteur de qualité) de ce même circuit.

On peut alors venir corriger les imprécisions du procédé de fabrication et, même, disposer d'un moyen de réglage sur le nouveau composant acoustique.

ST03-GR2-511 La figure 2A illustre un premier mode de réalisation d'un CRR dans lequel on vient travailler sur la résonance série d'un résonateur BAW 212. On dispose ainsi, en parallèle sur le résonateur 212, une inductance 213 qui est variable de manière à pouvoir être ajustée pour entrer en résonance avec la capacité parallèle de ce même résonateur, proche de la fréquence notée fp, ou dans un voisinage de cette même fréquence.

On peut dès lors travailler convenablement sur la résonance série et commander la fréquence de résonance au moyen d'un élément de réglage capacitif 10 211.

La figure 2B correspond à un second mode de réalisation d'un CRR dans lequel on vient à présent travailler sur la fréquence parallèle d'un résonateur BAW 222. A cet effet, on dispose cette fois en série avec ce dernier une inductance 223, à nouveau variable de manière à pouvoir être ajustée pour entrer en résonance avec la capacité série équivalente (C2) proche de la fréquence notée fs du résonateur de la figure 1 c, ou dans un voisinage de cette fréquence. On branche ensuite, en parallèle sur les deux éléments en série, un élément de réglage capacitif 221 de manière à venir interagir avec la résonance parallèle du résonateur 222 et la régler la fréquence fp.

On parvient ainsi, grâce à l'action combinée des deux éléments compagnons 221 et 223, à ajuster dans une large gamme la fréquence de travail au moyen de l'élément de réglage, 211 ou 221 selon le cas.

Il y a donc une véritable coopération entre l'inductance 213 (resp. 223) qui, en venant interférer dans un voisinage des deux fréquences de résonance et d'antirésonance du résonateur acoustique, permet de renforcer l'effet de réglage capacitif effectué par 211 (resp. 221).

Il en résulte alors un nouveau composant résonateur réglable, doté d'un résonateur BAW offrant un fort coefficient de qualité, associé à ses deux éléments compagnons.

ST03-GR2-511 Une grande flexibilité est ainsi offerte par ce nouveau composant qui est directement intégrable dans une technologie silicium. II ouvre par conséquent la voie à de multiples nouveaux développement de circuits intégrés dès lors que l'on parvient à commander efficacement son point de fonctionnement au moyen du réglage effectué au niveau des éléments compagnons.

La figure 3B illustre la réponse en fréquence d'un filtre linéaire doté d'un CRR dont un élément compagnon inductif qui présente une caractéristique QI linéaire en fonction de la fréquence, illustrée dans la figure 3A.

Avec un tel élément compagnon inductif, on observe une remontée gênante dans la réponse du filtre qui est préjudiciable à la performance de ce dernier.

Pour éviter cette remontée gênante, et conformément à la présente invention, on utilise à présent un élément compagnon inductif spécifique, réalisé au moyen d'une inductance active dont la courbe Ql(f) est illustrée dans la figure 4A, et qui est conçue de manière à présenter un facteur de qualité constant, dans la bande recherchée par exemple entre 2.06 et 2.22 GHz - et hors la bande recherchée, mais de valeur différente.

Dans un mode de réalisation préféré, on fixe le facteur de qualité de l'élément inductif compagnon à une valeur de 250 dans la bande de fréquence de filtrage, et à une valeur de 30 à 50 hors la gamme de fréquence.

Avec un tel élément compagnon inductif, comme cela est représenté dans la figure 4B, on observe à présent une réponse en fréquence du filtre qui permet d'éliminer les remontées gênantes que l'on observait avec une inductance classique.

On augmente ainsi considérablement l'atténuation hors bande du filtre ainsi que la transmission en bande passante.

ST03-GR2-511 En outre, comme on va le constater, l'élément inductif compagnon requiert moins de surface sur le composant semi-conducteur qu'une inductance classique en spirale.

A titre d'exemple nullement limitatif, dans un premier mode de réalisation illustré dans la figure 5a, l'élément compagnon de type capacitif est un varactor recevant la grandeur électrique Vtune sur une électrode de commande. On peut ainsi venir régler la valeur de l'élément capacitif associé au résonateur BAW.

La figure 5b illustre un autre mode de réalisation dans lequel l'élément inductif variable est réalisé au moyen d'une inductance active comportant un élément gyrateur composé de deux amplificateurs de transconductances 451 et 452 montés tête-bêche qui est chargé par un élément capacitif 453, le second amplificateur introduisant une inversion de polarité. En venant agir sur cet élément capacitif 453 qui pourra comme précédemment être un varactor recevant la grande électrique de commande Vtune - on pourra réaliser un élément inductif variable dont l'une des électrodes est mises à la masse.

Le schéma de la figure 4c illustre la structure d'un élément inductif variable flottant entre deux électrodes 460 et 469. A cet effet, on insère entre l'électrode 460 et la capacité 453 un premier gyrateur formé de deux amplificateurs de transconductance 461 et 462 qui sont montés tête-bêche, le second amplificateur introduisant une inversion de polarité. D'une manière similaire, on insère entre l'électrode 469 et la capacité 453 un second gyrateur formé de deux amplificateurs de transconductance 464 et 465 montés également tête-bêche avec le second amplificateur introduisant une inversion de polarité.

D'une manière générale, on viendra commander le courant de polarisation des transistors à transconductance de manière à générer un profil de coefficient de 3o qualité Ql(f) conforme à la présente invention. La manière précise de réaliser une telle commande relève de la technique de réalisation des inductances actives et ne sera pas développée plus avant. L'homme du métier se reportera notamment aux développements contenus dans la référence suivante: A high Q RF CMOS differential active inductor ST03GR2-511 - 13 - Akbari-Dilmaghani, R.; Payne, A.; Toumazou, C.; Electronics, Circuits and Systems, 1998 IEEE International Conference, ,Volume: 3, 7-10 Sept.

1998 Pages:157 - 160 vol.3 ST03-GR2-511

Claims (10)

Revendications

1. Circuit électronique comportant un résonateur (212, 222) destiné à être intégré dans un produit semi-conducteur, ledit résonateur ayant une fréquence de résonance et une fréquence d'antirésonance caractérisé en ce qu'il comporte: - un premier élément compagnon de type inductif (213, 223) calé dans un voisinage des fréquences dites de résonance et d'antirésonance, ledit élément compagnon présentant un coefficient de qualité QI (f) présentant une première valeur dans une gamme de fréquence prédéterminée et une seconde valeur hors ladite gamme de fréquence; - un second élément compagnon de type capacitif (211, 221) disposant d'une entrée de commande grandeur électrique de commande (Vtune) et permettant d'ajuster 15 l'accord dudit résonateur (212, 222).

2. Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit élément compagnon inductif est placé en série et est calé dans un voisinage de la fréquence de résonance série dudit résonateur de manière à renforcer l'effet de réglage sur la fréquence parallèle.

3. Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit élément compagnon inductif est mis en parallèle et est calé sur la fréquence de résonance parallèle dudit résonateur de manière à renforcer l'effet de réglage sur la fréquence série.

4. Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément compagnon inductif comporte un circuit gyrateur basé sur deux amplificateurs à transconductance ayant un facteur gm associé à une capacité, ledit gyrateur étant commandé pour produire un coefficient de qualité différent dans et hors ladite gamme de fréquence.

5. Circuit selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite valeur de gm est commandée par ladite grandeur de commande (Vtune) . ST03-GR2-511 15 -

6. Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément compagnon inductif comporte un circuit gyrateur basé sur deux amplificateurs à transconductance associé à un varactor commandé par ladite grandeur de commande (Vtune).

7. Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit élément compagnon capacitif est commandé en tension permettant d'accorder l'accord dudit résonateur.

8. Circuit selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce lo que ledit élément compagnon capacitif est un varactor commandé par ladite grandeur de commande (Vtune) .

9. Circuit selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le résonateur est un résonateur de type BAW.

10. Circuit selon l'une des rèvendicâtions précédentes caractérisé en ce qu'il est destiné à la réalisation d'un filtre passe-bande.

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