FR3066058B1

FR3066058B1 - Appareil de communication avec une isolation renforcee de la chaine de reception

Info

Publication number: FR3066058B1
Application number: FR1753995A
Authority: FR
Inventors: Laurent Chabert
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2019-07-12
Anticipated expiration: 2037-05-05
Also published as: FR3066058A1; US10298178B2; US20180323749A1

Abstract

Appareil de communication (APP) comprenant une antenne (ANT), une chaîne de réception (Rxl) comportant un dispositif amplificateur (6) et un moyen de commutation commandable (T3) possédant une capacité intrinsèque couplé entre l'entrée du dispositif amplificateur et l'antenne et possédant un état ouvert et un état passant, et un moyen de décharge configuré pour décharger la capacité intrinsèque du moyen de commutation dans son état ouvert, dans lequel le dispositif amplificateur incorpore le moyen de décharge (T5).

Description

APPAREIL DE COMMUNICATION AVEC UNE ISOLATION RENFORCEE DE LA CHAÎNE DE RECEPTION

Des modes de réalisation de l’invention concernent les appareils de communication, en particulier pour une communication sans fil, tels que des téléphones mobiles cellulaires ou des tablettes numériques, et notamment les dispositifs amplificateurs faible bruit connus dans l’état de la technique sous l’acronyme de langue anglaise « LNA » («Low Noise Amplifier, LNA » en anglais) incorporés dans les chaînes de réception de ces appareils.

Un appareil de communication comprend généralement une chaîne d’émission d’un signal et une chaîne de réception d’un signal raccordées à une antenne et à un dispositif de traitement en bande de base.

La figure 1 représente un appareil de communication 1 selon l’état de la technique comprenant une chaîne d’émission Tx et une chaîne de réception Rx raccordées à une antenne ANT et une unité de traitement en bande de base 2, notamment un processeur de bande de base.

La chaîne d’émission Tx comprend notamment un dispositif amplificateur de puissance 3 (« Power Amplifier, PA » en anglais) dont une sortie est reliée à l’antenne ANT par l’intermédiaire d’un transistor Tl. Le nœud commun entre le dispositif amplificateur 3 et le transistor Tl est relié à une masse GND par l’intermédiaire d’un transistor T2. L’entrée du dispositif amplificateur 3 est reliée à d’autres éléments classiques et connus de la chaîne d’émission (non représentés ici à des fins de simplification de la figure).

La chaîne de réception Rx comprend un dispositif amplificateur 4 communément désigné par l’homme du métier sous l’appellation « amplificateur faible bruit » (« Low Noise Amplifier », LNA en anglais) dont une entrée est reliée à l’antenne ANT par l’intermédiaire d’un transistor T3. Le nœud commun entre l’antenne ANT et le dispositif amplificateur 4 est relié à la masse GND par l’intermédiaire d’un transistor T4. La sortie du dispositif amplificateur 4 est reliée à d’autres éléments classiques et connus de la chaîne de réception (non représentés à des fins de simplification de la figure).

Le dispositif amplificateur comprend classiquement au moins un transistor d’amplification T.

Les transistors Tl, T2, T3 et T4 peuvent être de même nature, par exemple des transistors à oxyde de grille épais, et peuvent être dimensionnés différemment. Ils sont de nature quelconque, par exemple des transistors à effet de champ NMOS. Les moyens de commutation sont commandés par des moyens de commande incorporés dans l’unité de traitement en bande de base 2.

En mode émission d’un signal, les transistors Tl et T4 sont passants. Ils se comportent comme des résistances parasites Ron. Le transistor T4 assure la mise à la masse de l’entrée du dispositif amplificateur 4. Les transistors T2 et T3 sont ouverts. Ils se comportent comme des capacités parasites Coff.

Le transistor T4 forme, dans le mode émission, un moyen de décharge des moyens de commutation de la chaîne de réception.

En mode réception, les transistors Tl et T4 sont ouverts et les transistors T2 et T3 sont passants. Le transistor T2 assure la mise à la masse de la sortie du dispositif amplificateur 3. Les transistors Tl et T4 se comportent comme des capacités parasites Coff. Les transistors T2 et T3 se comportent comme des résistances parasites Ron. Ces éléments parasites dégradent la figure de bruit (« Noise Figure », en anglais) de l’amplificateur 4.

La qualité du dispositif est décrite par le coefficient Coff*Ron. Cependant ce coefficient est fixé pour une technologie donnée.

En mode émission, le dispositif amplificateur 3 émet par exemple un signal de puissance de 33dBm soit 2W sous une tension de 10V. La capacité parasite du transistor T3 laisse passer un courant parasite qui alimente le dispositif amplificateur 4.

Le courant issu de la capacité parasite du transistor T3 détériore le transistor d’amplification T, si la protection donnée par T4 n’était pas suffisante. Par conséquent les transistors de commutation sont dimensionnés de telle sorte qu’ils canalisent la puissance parasite bien en dessous de la tension de 10V. Ils sont donc de dimensions appropriées. Généralement chaque transistor de commutation Tl, T2, T3 et T4 comprend un ensemble de transistors assemblés en série et en parallèle sous la forme d’une matrice. Cette disposition permet de trouver des configurations fonctionnelles et non destructrices pour un Ron*Coff donné et limite la tension susceptible de détériorer le dispositif amplificateur 4.

Cependant il est souhaitable de trouver un compromis entre l’encombrement de la matrice et l’amélioration de la protection du transistor d’amplification T.

Les différents éléments des moyens de commutation sont par ailleurs séparés les uns des autres de quelques micromètres. Par conséquent, des phénomènes de couplage substrat et électromagnétique apparaissent. Ces phénomènes dégradent également la figure de bruit du dispositif amplificateur faible.

Il existe un besoin d’améliorer la figure de bruit du dispositif amplificateur faible bruit et de réduire l’encombrement des moyens de commutation tout en préservant ce dispositif amplificateur de toute détérioration.

Selon un mode de réalisation il est avantageusement proposé d’incorporer dans le dispositif amplificateur faible bruit le moyen de décharge permettant de décharger la capacité intrinsèque des moyens de commutation de la chaîne de réception, et ainsi diminuer les phénomènes de couplage et la taille des transistors de commutation.

Selon un aspect, il est proposé un appareil de communication comprenant une antenne, une chaîne de réception comportant un dispositif amplificateur et un moyen de commutation commandable possédant une capacité intrinsèque, couplé entre l’entrée du dispositif amplificateur et l’antenne et possédant un état ouvert et un état passant, et un moyen de décharge configuré pour décharger la capacité intrinsèque du moyen de commutation dans son état ouvert.

Selon cet aspect, le dispositif amplificateur incorpore le moyen de décharge.

En d’autres termes, le moyen de décharge comprenant par exemple un transistor de décharge est éloigné physiquement des autres transistors de commutation. Cela réduit les phénomènes de couplage substrat et électromagnétique et permet d’utiliser des transistors de commutation de plus petite taille.

Selon un mode de réalisation, le dispositif amplificateur comprend en outre un élément inductif et un moyen d’amplification, le moyen d’amplification étant relié à une entrée du dispositif amplificateur par l’intermédiaire de l’élément inductif, dans lequel le moyen de décharge est connecté entre l’élément inductif et le moyen d’amplification. L’élément inductif filtre aussi avantageusement le courant parasite traversant la capacité intrinsèque du moyen de commutation.

Selon un mode de réalisation, le moyen de décharge comprend au moins un transistor de décharge commandable.

Selon un mode de réalisation, le moyen de décharge commandable comprend une matrice de transistors de décharge commandables par un même signal de commande.

Selon un mode de réalisation, le moyen d’amplification comprend un transistor d’amplification.

Selon un mode de réalisation, le dispositif amplificateur comprend en outre une borne d’alimentation destinée à être reliée à la masse, l’électrode de commande du transistor d’amplification étant connectée à une entrée du dispositif amplificateur et le moyen de décharge étant connecté entre l’électrode de commande du transistor d’amplification et la borne d’alimentation.

Selon un autre mode possible de réalisation, le dispositif amplificateur comprend en outre une borne d’alimentation destinée à être reliée à la masse, le moyen de décharge étant connecté entre la source du transistor d’amplification et la borne d’alimentation.

Selon un autre mode de réalisation, le moyen de décharge comprend une matrice de transistors.

Selon un mode de réalisation, l’appareil de communication comprend une chaîne d’émission comportant un amplificateur de puissance couplé à l’antenne par l’intermédiaire de second moyens de commutation commandables et possédant un état ouvert et un état passant.

Selon un autre aspect, il est proposé un dispositif amplificateur incorporé dans un appareil de communication tel que défini précédemment. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et de dessins annexés sur lesquels : la figure 1 déjà décrite illustre un art antérieur ; et les figures 2 à 7 illustrent des modes de réalisation de l’invention.

On se réfère à la figure 2 qui représente un exemple de mode de réalisation d’un appareil de communication APP. L’appareil de communication APP comprend la chaîne d’émission Tx et une chaîne de réception Rxl raccordées à l’antenne ANT et une unité de traitement en bande de base 5, notamment un processeur de bande de base.

La chaîne d’émission Tx comprend le dispositif amplificateur de puissance 3 (« Power Amplifier, PA » en anglais) dont une sortie est reliée à l’antenne ANT par l’intermédiaire du transistor Tl. Le nœud commun entre le dispositif amplificateur 3 et le transistor Tl est relié à la masse GND par l’intermédiaire d’un transistor T2. L’entrée du dispositif amplificateur 3 est reliée à d’autres éléments classiques et connus de la chaîne d’émission (non représentés ici à des fins de simplification de la figure).

La chaîne de réception Rxl comprend un dispositif amplificateur faible bruit 6 comportant au moins un transistor d’amplification T et le transistor de commutation T3. Elle ne comporte plus le moyen de décharge T4 situé à l’extérieur du dispositif amplificateur 6. Comme on le verra plus en détail ci-après ce moyen de décharge est incorporé dans le dispositif amplificateur 6.

Le dispositif amplificateur 6 comprend une entrée BE reliée à l’antenne ANT par l’intermédiaire du transistor T3, une entrée de commande Ec et une sortie BS reliées à d’autres éléments classiques et connus de la chaîne de réception (non représentés à des fins de simplification de la figure). Il comprend une première borne d’alimentation B1 destinée à être raccordée à une première tension d’alimentation, notamment une tension continue Vcc, et une seconde borne d’alimentation B2 destinée à être raccordée à une seconde tension d’alimentation, notamment une masse GND. L’entrée de commande Ec du dispositif amplificateur 6 est couplée à des moyens de commande MC incorporés dans l’unité de traitement en bande de base 5. Ces moyens de commande génèrent un signal de commande SC.

On se réfère à la figure 3 qui montre un exemple d’un mode de réalisation d’un dispositif amplificateur 6.

Dans ce mode réalisation, le dispositif amplificateur 6 est agencé selon un montage source commune.

Le dispositif amplificateur 6 comprend le moyen de décharge comportant un transistor de décharge T5, un moyen d’amplification comprenant un transistor d’amplification T6, un élément résistif RI, un élément inductif d’adaptation d’impédance L1 et un élément inductif de dégénérescence L2. L’élément inductif L1 d’adaptation d’impédance et l’élément inductif L2 de dégénérescence permettent d’adapter l’impédance d’entrée BE du dispositif amplificateur 6 pour optimiser le transfert de puissance entre des éléments reliés à l’entrée E et le transistor T6. L’élément inductif de dégénérescence L2 améliore les performances dynamiques du transistor d’amplification T6.

Selon un mode de réalisation, les transistors T5 et T6 sont des transistors NMOS.

La grille du transistor d’amplification T6 est reliée à l’entrée BE du dispositif amplificateur 6 par l’intermédiaire de l’élément inductif Ll. La source du transistor d’amplification T6 est reliée à une première borne de l’élément inductif L2. La seconde borne de l’élément inductif L2 est reliée à la borne d’alimentation B2 (masse).

Le drain du transistor d’amplification T6 est relié à la sortie BS du dispositif amplificateur 6. L’élément résistif RI est relié d’une part à la borne d’alimentation Bl, et d’autre part, à la sortie BS.

Le drain du transistor de décharge T5 est relié au nœud commun entre l’élément inductif L1 et la grille du transistor d’amplification T6. La source du transistor de décharge T5 est relié à la borne d’alimentation B2, et la grille est reliée à l’entrée Ec du dispositif amplificateur 6.

En mode émission, c’est-à-dire lorsque le transistor Tl est passant et le transistor T2 est ouvert, l’antenne ANT reçoit un signal émis par le dispositif amplificateur 3. Le signal émis est par exemple d’une puissance d’approximativement 33dBm soit lOmW sous une tension de 10V.

Le transistor T5 est commandé par le signal de commande SC reçu à l’entrée Ec du dispositif amplificateur 6 de telle sorte qu’il soit passant.

Le transistor T3 est commandé par l’unité de traitement en bande de base 5 de telle sorte qu’il soit ouvert, il se comporte comme une capacité parasite. Il est relié à l’antenne ANT et reçoit le signal émis par le dispositif amplificateur 3.

Le transistor T3 laisse passer un courant parasite I. Le courant I est atténué par l’élément inductif d’adaptation d’impédance Ll. Par conséquent, le transistor de décharge T5 est dimensionné pour un courant parasite I plus faible. Le transistor T5 est de taille plus petite que dans le cas d’une configuration d’une branche de réception connue de l’état de la technique.

En mode réception, c’est-à-dire lorsque les transistors Tl et T5 sont ouverts, et les transistors T2 et T3 sont passants, l’antenne ANT reçoit par exemple un signal de puissance d’approximativement -80 dBm soit O.OlnW.

La valeur de la tension Vcc de polarisation du transistor T6 à la borne d’alimentation Bl et la valeur de l’élément résistif RI sont choisies de telle sorte que le transistor T6 amplifie le signal reçu de l’entrée BE selon un point de fonctionnement prédéfini du transistor T6.

Le signal reçu par l’antenne ANT est transmis à l’entrée BE du dispositif amplificateur 6, et au transistor d’amplification T6 qui amplifie le signal reçu sur sa grille.

Comme le transistor de décharge T5 est plus petit, sa capacité parasite a été réduite. La figure de bruit (« Noise Figure », en anglais) du dispositif amplificateur 6 a été améliorée.

De plus, le transistor de décharge T5 est déporté dans le dispositif amplificateur 6. La distance entre les transistors Tl, T2, T3 et le transistor de décharge T5 est plus grande. Les phénomènes de couplage substrat et électromagnétique entre le transistor de décharge T5 et les autres transistors de commutation sont réduits.

Cela contribue également à l’amélioration de la figure de bruit du dispositif amplificateur 6.

On se réfère à la figure 4 qui montre un exemple d’un autre mode de réalisation d’un dispositif amplificateur 6.

Dans ce mode réalisation, le dispositif amplificateur 6 est réalisé selon un montage source commune cascodé.

Les éléments identiques à ceux décrits dans le mode de réalisation précédent sont identifiés par les mêmes références numériques. Sur cette figure on reconnaît les éléments inductifs L1 et L2, le transistor de décharge T5, le transistor d’amplification T6. Ces éléments sont agencés comme décrit précédemment.

Le dispositif amplificateur 6 comprend en outre un transistor T7 alimenté sur sa grille par une tension continue Vbiasl et un élément résistif R2.

Le transistor T7 est ici un transistor NMOS.

Le drain du transistor d’amplification T6 est relié à la source du transistor T7. Le drain du transistor T7 est relié d’une part à la sortie BS du dispositif amplificateur 6 et, d’autre part, à une première borne de l’élément résistif R2. La seconde borne de l’élément résistif R2 est reliée à la borne d’alimentation Bl.

La valeur de la tension Vbiasl est choisie supérieure à la tension de seuil du transistor T7. Le transistor T7 est passant.

La valeur de la tension Vcc de polarisation du transistor T6 à la borne d’alimentation B1 et la valeur de l’élément résistif R2 sont choisies de telle sorte que le transistor T6 amplifie le signal reçu de l’entrée BE selon un point de fonctionnement prédéfini du transistor T6.

Avantageusement, l’isolation électrique du transistor d’amplification T6 est améliorée et le transistor de décharge T5 est de taille réduite par rapport aux transistors de commutation Tl, T2, T3 et T4.

Le fonctionnement de ce dispositif amplificateur 6 en émission/réception est identique à celui décrit dans le premier mode de réalisation.

Avantageusement, un amplificateur cascodé présente des propriétés de gain, de bruit, de consommation et d’isolation améliorées par rapport aux autres amplificateurs non cascodés.

On se réfère à la figure 5 qui montre un exemple d’un autre mode de réalisation d’un dispositif amplificateur 6.

Dans ce mode réalisation, le dispositif amplificateur 6 est réalisé selon un montage grille commune.

Les éléments identiques à ceux décrits dans le mode de réalisation précédent sont identifiés par les mêmes références numériques. Sur cette figure on reconnaît les éléments inductifs Ll et L2, et le transistor de décharge T5.

Le dispositif amplificateur 6 comprend un moyen d’amplification comprenant un transistor d’amplification T8 alimenté sur sa grille par une tension continue Vbias2.

Selon un mode de réalisation, le transistor T8 est un transistor NMOS.

La source du transistor d’amplification T8 est reliée à l’entrée BE du dispositif amplificateur 6 par l’intermédiaire de l’élément inductif Ll, et à la borne d’alimentation B2 par l’intermédiaire de l’élément inductif L2.

Le drain du transistor d’amplification T8 est relié à la sortie BS du dispositif amplificateur 6. L’élément résistif R3 est relié d’une part, à la borne d’alimentation Bl, et d’autre part, à la sortie BS.

Le drain du transistor de décharge T5 est relié au nœud commun entre l’élément inductif Ll et la source du transistor d’amplification T6. La source du transistor de décharge T5 est reliée à la borne d’alimentation B2.

La valeur de la tension Vcc de polarisation du transistor T8 à la borne d’alimentation Bl et la valeur de l’élément résistif R3 sont choisies de telle sorte que le transistor T8 amplifie le signal reçu de l’entrée BE selon un point de fonctionnement prédéfini du transistor T8.

La valeur de la tension Vbias2 est choisie de sorte à optimiser des propriétés d’impédance d’entrée, de gain, de figure de bruit et de linéarité du transistor d’amplification T8.

On se réfère à la figure 6 qui montre un exemple d’un autre mode de réalisation d’un dispositif amplificateur 6.

Dans ce mode réalisation, le dispositif amplificateur 6 est réalisé selon un montage grille commune cascodé.

Les éléments identiques à ceux décrits dans le mode de réalisation précédent sont identifiés par les mêmes références numériques. Sur cette figure on reconnaît les éléments inductifs Ll et L2, le transistor de décharge T5 et le transistor d’amplification T8 alimenté sur sa grille par la tension continue Vbias2. Ces éléments sont agencés comme décrit précédemment.

Le dispositif amplificateur 6 comprend en outre un transistor T9 alimenté sur sa grille par une tension continue Vbiasl et un élément résistif R4.

Selon un mode de réalisation, le transistor T9 est un transistor NMOS.

Le drain du transistor d’amplification T8 est relié à la source du transistor T9. Le drain du transistor T9 est relié d’une part à la sortie BS du dispositif amplificateur 6 et, d’autre part, à une première borne de l’élément résistif R4. La seconde borne de l’élément résistif R4 est reliée à la borne d’alimentation Bl.

La valeur de la tension Vbiasl est choisie supérieure à la tension de seuil du transistor T9. Le transistor T9 est passant.

Comme précédemment décrit, la valeur de la tension Vbias2 est choisie de sorte à optimiser des propriétés d’impédance d’entrée, de gain, de figure de bruit et de linéarité du transistor d’amplification T8.

La valeur de la tension Vcc de polarisation du transistor T8 à la borne d’alimentation Bl et la valeur de l’élément résistif R4 sont choisies de telle sorte que le transistor T8 amplifie le signal reçu de l’entrée BE selon un point de fonctionnement prédéfini du transistor T8.

Par ailleurs selon un mode de réalisation, le transistor de décharge T5 peut être réalisé sous la forme d’une matrice de transistors comme illustré à la figure 7.

Les transistors de commutation Tl, T2 et T3 sont généralement également réalisés sous la forme de matrices de transistors.

Selon un mode de réalisation, la matrice M de transistors à effet de champ NMOS est équivalente à un transistor NMOS Teq comprenant une électrode de drain D, une électrode de grille G et une électrode de source S.

La matrice de transistors comprend n branches dénommées branche 1, ... branche n reliées entre elles en parallèle. Chaque branche comprend des transistors NMOS Te reliés en série, le drain de l’un étant relié à la source du suivant. Les connexions libres des transistors aux extrémités des branches sont reliées aux nœuds communs D et S. Les grilles des transistors Te sont commandées par un même signal Ec.

Toutes les branches comprennent le même nombre de transistors Te. Le nombre de transistors Te est déterminé de telle sorte que le transistor équivalent Teq soit dimensionné pour supporter une tension prédéterminée. Les n branches permettent d’améliorer le coefficient Coeff*Ron.

Avantageusement, à performance égale la matrice de transistors est d’encombrement réduit car les transistors compris dans la matrice sont de taille réduite.

Avantageusement, les amplificateurs cascodés présentent des propriétés de gain, de bruit, de consommation et d’isolation améliorées par rapport aux autres amplificateurs.

Claims

REVENDICATIONS

1. Appareil de communication (APP) comprenant une antenne (ANT), une chaîne de réception (Rxl) comportant un dispositif amplificateur (6) et un moyen de commutation commandable (T3) possédant une capacité intrinsèque, couplé entre l’entrée du dispositif amplificateur et l’antenne et possédant un état ouvert et un état passant, et un moyen de décharge configuré pour décharger la capacité intrinsèque du moyen de commutation dans son état ouvert, dans lequel le dispositif amplificateur incorpore le moyen de décharge (T5).
2. Appareil de communication selon la revendication 1, dans lequel le dispositif amplificateur (6) comprend en outre un élément inductif (Ll) et un moyen d’amplification (T6, T8), le moyen d’amplification étant relié à une entrée (E) du dispositif amplificateur par l’intermédiaire de l’élément inductif, dans lequel le moyen de décharge (T5) est connecté entre l’élément inductif et le moyen de d’amplification.
3. Appareil de communication selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le moyen de décharge (T5) comprend au moins un transistor de décharge commandable.
4. Appareil de communication selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le moyen de décharge commandable comprend une matrice de transistors de décharge commandables (M) par un même signal de commande (SC).
5. Appareil de communication selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le moyen d’amplification comprend un transistor d’amplification (T6, T8).
6. Appareil de communication selon la revendication 5, dans lequel le dispositif amplificateur comprend en outre une borne d’alimentation (B2) destinée à être reliée à la masse, l’électrode de commande du transistor d’amplification (T6) étant connectée à une entrée du dispositif amplificateur (BE) et le moyen de décharge (T5) étant connecté entre l’électrode de commande du transistor d’amplification et la borne d’alimentation.
7. Appareil de communication selon la revendication 5, dans lequel le dispositif amplificateur (6) comprend en outre une borne d’alimentation (B2) destinée à être reliée à la masse, le moyen de décharge étant connecté entre la source du transistor d’amplification (T8) et la borne d’alimentation.
8. Appareil de communication selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel le moyen de décharge (T5) comprend une matrice de transistors (M).
9. Appareil de communication selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant une chaîne d’émission (Tx) comportant un amplificateur de puissance (3) couplé à l’antenne (ANT) par l’intermédiaire de second moyens de commutation commandables possédant un état ouvert et un état passant.
10. Dispositif amplificateur incorporé dans un appareil de communication selon l’une quelconque des revendications précédentes.