FR3066059A1

FR3066059A1 - Appareil de communication avec chaine de reception a encombrement reduit

Info

Publication number: FR3066059A1
Application number: FR1753996A
Authority: FR
Inventors: Laurent Chabert; Raphael Paulin
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2018-11-09
Also published as: US10469124B2; US20180323821A1

Abstract

Appareil de communication comportant une chaîne d'émission (Tx) couplée à une antenne (ANT) par des premiers moyens de commutation commandables (T1, T2), une chaîne de réception (Rxl) comprenant un dispositif amplificateur (6) ayant une entrée (E) couplée à l'antenne et incorporant des deuxièmes moyens de commutation commandables (7, 8) configurés pour rendre sélectivement inactif ou actif le dispositif amplificateur.

Description

Appareil de communication avec chaîne de réception à encombrement réduit

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 le transistor T3 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.

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. Le transistor T3 dégrade la figure de bruit (« Noise Figure », en anglais) de l’amplificateur 4.

La qualité du dispositif de commutation comprenant les transistors Tl, T2 , T3 et T4 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 peut détériorer le transistor d’amplification T. Par conséquent les transistors de commutation sont dimensionnés de telle sorte qu’ils canalisent la puissance parasite sous une tension de 10V. Ils sont donc de dimension importante. 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 pour un coefficient Ron*Coff donné de définir une configuration de transistors limitant les effets parasites. Plus le transistor de commutation T3 comprend de transistors assemblés sous la forme d’une matrice, plus le transistor T3 protège le transistor d’amplification T.

Cependant il est souhaitable de trouver un compromis entre l’encombrement de la matrice et une protection suffisante du transistor d’amplification T. En effet, l’ajout de transistors augmente le nombre de capacités parasites Coff. De plus la résistance parasite Ron du transistor T3 dégrade la figure de bruit du dispositif amplificateur faible bruit en mode réception.

Les différents éléments des moyens de commutation sont incorporés sur un même substrat. Ils sont à proximité l’un de l’autre. Par conséquent, des phénomènes de couplage substrat et électromagnétique apparaissent. Ces phénomènes peuvent dégrader également la figure de bruit du dispositif amplificateur faible bruit.

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 des modes de réalisation il est avantageusement proposé d’améliorer la figure de bruit du dispositif amplificateur en incorporant des moyens de commutation commandables dans le dispositif amplificateur, ces moyens étant configurés pour sélectivement activer et désactiver le dispositif amplificateur. Ainsi les pertes dues au Ron du transistor T3 contribuant à la figure de bruit du dispositif amplificateur n’existent plus. En évitant ce contributeur placé devant le LNA, on améliore la figure de bruit.

Selon un aspect, il est proposé un appareil de communication comportant une chaîne d’émission couplée à une antenne par des premiers moyens de commutation commandables, une chaîne de réception comprenant un dispositif amplificateur, ayant une entrée couplée à l’antenne et incorporant des deuxièmes moyens de commutation commandables configurés pour rendre sélectivement inactif ou actif le dispositif amplificateur.

Le bruit détériorant la figure de bruit du dispositif amplificateur généré par les deuxièmes moyens de commutation peut alors être réduit.

Selon un mode de réalisation, le dispositif amplificateur comprend une première borne d’alimentation destinée à être raccordée à une première tension d’alimentation, une seconde borne d’alimentation destinée à être raccordée à une seconde tension d’alimentation, par exemple la masse, au moins une entrée de commande destinée à recevoir un signal de commande et au moins un transistor d’amplification dont l’électrode de commande est couplée à l’entrée du dispositif amplificateur, les deuxièmes moyens de commutation étant couplés à l’entrée de commande et configurés pour sélectivement isoler ou non le transistor d’amplification des deux bornes d’alimentation en réponse au signal de commande.

Selon un mode de réalisation, les deuxièmes moyens de commutation comprennent : un premier module de commutation commandable couplé entre une première électrode de conduction du transistor d’amplification, par exemple la source, et la seconde borne d’alimentation ; et un second module de commutation commandable couplé entre une seconde électrode de conduction du transistor d’amplification, par exemple le drain, la première borne d’alimentation et une sortie du dispositif amplificateur.

Selon un mode de réalisation, chaque module de commutation comprend une pluralité de transistors de commutation les grilles de tous les transistors de commutation étant connectées à un ou plusieurs arbres de distribution couplés à l’entrée de commande.

Le dispositif amplificateur peut comprendre au moins un étage amplificateur, et éventuellement plusieurs étages amplificateurs.

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, précédemment décrite, illustre un exemple d’un appareil de communication selon l’état de la technique ; et les figures 2 à 4 illustrent différents 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 une 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 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 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. Elle ne comporte plus de moyens de commutation T3 et T4 à l’extérieur du dispositif amplificateur.

Le dispositif amplificateur à faible bruit 6 comprend une entrée BE reliée à l’antenne ANT, une entrée de commande Ec et une sortie BS reliée à d’autres éléments classiques et connus de la chaîne de réception (non représentés ici à des fins de simplification de la figure). Il comprend une première borne d’alimentation Bl 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 la 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. Les moyens de commande MC génèrent un signal de commande SC.

En variante, le dispositif amplificateur à faible bruit 6 comprend en outre une ou plusieurs bornes d’alimentation destinées à être raccordées à une tension d’alimentation, notamment une tension continue de polarisation du transistor d’amplification T.

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 avec un élément inductif de dégénérescence L2.

Le dispositif amplificateur 6 comprend un moyen d’amplification comprenant le transistor d’amplification T, un premier module de commutation commandable 7 et un deuxième module de commutation commandable 8, un élément résistif RI et un élément inductif d’adaptation d’impédance Ll et un élément inductif de dégénérescence L2. L’élément inductif Ll 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 BE et le transistor T. L’élément inductif de dégénérescence L2 améliore les performances dynamiques du transistor d’amplification T. L’adaptation d’impédance d’entrée BE du dispositif amplificateur 6 peut se faire différemment, par exemple par l’intermédiaire d’un coupleur ou d’un transformateur radiofréquence symétrique-dissymétrique (« balun », « en anglais « Balanced-

Unbalanced).

Les modules de commutation commandables 7 et 8 comprennent chacun une pluralité de transistors Te dont les électrodes de commande sont connectées à un ou plusieurs arbres de distribution comprenant des résistances, des inductances ou d’autres dispositifs aptes à commander les transistors Te. Les arbres de distribution sont reliés à l’entrée Ec du dispositif amplificateur 6.

On pourra prévoir de commander les modules de commutation commandables 7 et 8 indépendamment l’un de l’autre. Dans ce cas le dispositif amplificateur 6 comprend plusieurs entrées de commande.

Selon un mode de réalisation, les transistors T et Te sont des transistors NMOS.

La grille du transistor d’amplification T est reliée à l’entrée BE du dispositif amplificateur 6 par l’intermédiaire de l’élément inductif Ll. La source du transistor T est reliée à une première borne de l’élément inductif L2 par l’intermédiaire du premier module de commutation commandable 7. La seconde borne de l’élément inductif L2 est reliée à la borne d’alimentation B2.

Le drain du transistor T est relié à la sortie BS du dispositif amplificateur 6 par l’intermédiaire du second module de commutation commandable 8. L’élément résistif RI, est relié d’une part, à la borne d’alimentation Bl, et d’autre part, à la sortie BS.

Les transistors Te sont reliés dans les modules de commutation commandables 7 et 8 de telle sorte que le drain d’un transistor Te est relié à la source du transistor suivant. Le drain du transistor Te situé à l’extrémité du module 7 est relié à la source du transistor d’amplification T et la source du transistor Te situé à l’extrémité du module 7 est reliée à l’élément inductif L2.

Le drain du transistor Te situé à l’extrémité du module 8 est relié à la sortie BS du dispositif amplificateur 6 et la source du transistor Te situé à l’extrémité du module 8 est reliée au drain du transistor d’amplification T.

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. Ce signal de puissance, par exemple d’approximativement 33dBm soit 2W sous une tension de 10V, est transmis à l’entrée BE du dispositif amplificateur 6. Les transistors Tc sont commandés par le signal de commande SC, de telle sorte que les transistors Tc des modules de commutations 7 et 8 soient ouverts, ce qui permet de rendre inactif le dispositif amplificateur 6.

La grille du transistor T reçoit le signal émis par le dispositif amplificateur 3.

Le nombre de transistors Tc incorporés dans chaque module de commutation 7 et 8 est déterminé de telle sorte que en mode émission les tensions entre d’une part la grille et la source (VGS) du transistor T et, d’autre part, entre la source et le drain (VDS) du transistor T sont inférieures à une valeur prédéterminée qui n’endommage pas le transistor T.

Par conséquent le transistor T est traversé par des excursions en tension très faibles qui ne sont pas susceptibles de l’endommager en mode émission d’un signal.

La valeur de la tension de polarisation Vcc est généralement dépendante de la technologie du transistor d’amplification T. On peut par exemple réaliser le transistor sur un substrat du type silicium sur isolant connu dans l’état de la technique sous l’acronyme de langue anglaise « SOI » («Silicom On Insulator, SOI » en anglais) dans une technologie 130 nm. L’élément résistif RI permet de déterminer le gain du dispositif amplificateur.

En mode réception, c’est-à-dire lorsque le transistor Tl est ouvert et le transistor T2 est passant, les transistors Tc sont commandés par le signal de commande SC de telle sorte que les transistors Tc des modules de commutation 7 et 8 soient passants, ce qui permet de rendre actif le dispositif amplificateur 6. Le transistor T est relié aux bornes Bl et B2. Il amplifie le signal reçu sur sa grille. Le signal amplifié est injecté à la sortie S du dispositif amplificateur 6.

Avantageusement les transistors de commutation Tc sont de taille réduite. Ils sont reliés à la source et au drain du transistor d’amplification T. La communication étant effectuée après le gain du transistor d’amplification T, la contribution en bruit des transistors de commutation Tc sur la figure de bruit globale de la chaîne de réception Rx est plus faible que celle des transistors T3 et T4 de l’art antérieur situés en dehors du dispositif amplificateur 4.

La figure de bruit du dispositif amplificateur 6 est ainsi améliorée.

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 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 d’amplification T et les modules de commutation commandables 7 et 8. Ces éléments sont agencés comme décrit précédemment.

Le dispositif amplificateur 6 comprend en outre un transistor T5 alimenté sur sa grille par une tension continue Vbias et un élément résistif R2. Cet élément résistif R2 peut comprendre une impédance complexe, notamment un transformateur haute fréquence appelé aussi coupleur ou balun.

Le transistor T5 est ici un transistor NMOS.

Le drain du transistor d’amplification T est relié à la source du transistor T5. Le drain du transistor T5 est relié d’une part à la sortie S 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 Vbias est choisie supérieure à la tension de seuil du transistor T5, généralement de sorte à fixer la consommation en courant du transistor T5. Le transistor T5 est passant.

En mode émission, la valeur de la tension Vbias est choisie de sorte que le transistor T5 soit ouvert. Il renforce l’isolation électrique du transistor T. Là encore la valeur de la tension de polarisation Vcc est généralement dépendante de la technologie du transistor d’amplification T. L’élément résistif R2 permet de déterminer le gain du dispositif amplificateur 6.

Avantageusement, le dispositif amplificateur selon un montage cascodé présente un compromis de gain, de bruit, de consommation et d’isolation amélioré par rapport aux dispositifs amplificateurs non cascodés.

Les modes de réalisation de l’invention décrits ci-avant ont trait à un dispositif amplificateur à faible bruit comportant un seul étage amplificateur. L’invention n’est pas limitée à ces modes de réalisation. Il serait aussi possible de prévoir un dispositif amplificateur à faible bruit comportant plusieurs étages d’amplification comprenant chacun un transistor d’amplification T et des moyens d’adaptation d’impédance et de polarisation du transistor d’amplification T correspondant.

Claims

REVENDICATIONS

1. Appareil de communication comportant une chaîne d’émission (Tx) couplée à une antenne (ANT) par des premiers moyens de commutation commandables (Tl, T2), une chaîne de réception (Rxl) comprenant un dispositif amplificateur (6), ayant une entrée (E) couplée à l’antenne et incorporant des deuxièmes moyens de commutation commandables (7, 8) configurés pour rendre sélectivement inactif ou actif le dispositif amplificateur.
2. Appareil de communication selon la revendication 1, dans lequel le dispositif amplificateur (6) comprend une première borne d’alimentation (Bl) destinée à être raccordée à une première tension d’alimentation, une seconde borne d’alimentation (B2) destinée à être raccordée à une seconde tension d’alimentation, au moins une entrée de commande (Ec) destinée à recevoir un signal de commande et au moins un transistor d’amplification (T) dont l’électrode de commande est couplée à l’entrée du dispositif amplificateur, les deuxièmes moyens de commutation étant couplés à l’entrée de commande et configurés pour sélectivement isoler ou non le transistor des deux bornes d’alimentation en réponse au signal de commandes.
3. Appareil de communication selon la revendication 2, dans lequel les deuxièmes moyens de commutation comprennent : - un premier module (7) de commutation commandable couplé entre une première électrode de conduction du transistor d’amplification (T) et la seconde borne d’alimentation (B2), et - un second module (8) de commutation commandable couplé entre une seconde électrode de conduction du transistor d’amplification (T), la première borne d’alimentation (Bl) et une sortie du dispositif amplificateur (S).
4. Appareil de communication selon la revendication 3, dans lequel chaque module (7, 8) de commutation commandable comprend une pluralité de transistors (Tc) de commutation, les grilles de tous les transistors de commutation étant connectées à un ou plusieurs arbres de distribution couplés à l’entrée de commande (Ec).
5. Appareil de communication selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif amplificateur (6) comprend au moins un étage amplificateur.
6. Dispositif d’amplification incorporé dans un appareil de communication selon l’une quelconque des revendications précédentes.