FR3066338A1 - Attenuateur de signal radiofrequence - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un atténuateur de signal radiofréquence comprenant une pluralité de blocs successifs (Ai) dont chacun est constitué d'un premier condensateur (C1i) connecté entre un noeud d'entrée (Ini) du bloc et un noeud de sortie (Outi) du bloc, et d'un deuxième condensateur (C2i) connecté entre ledit noeud de sortie (Outi) et un noeud de référence (Ref), le noeud de sortie (Outi) de chaque bloc (Ai) autre que le dernier bloc (AN) étant connecté au noeud d'entrée (Ini) du bloc suivant, l'atténuateur comprenant des moyens de sélection (SWi) d'un des noeuds de sortie (Outi) des blocs (Ai).

Description

ATTENUATEUR DE SIGNAL RADIOFREQUENCE
Domaine
La présente demande concerne un atténuateur de signal radiofréquence.
Exposé de l'art antérieur
Dans de nombreuses applications, et en particulier dans des dispositifs de réception ou d'émission d'un signal radiofréquence, il est nécessaire d'atténuer le signal au moyen d'un atténuateur à atténuation variable commandée.
La présente demande vise obtenir un atténuateur purement capacitif à atténuation variable commandée qui soit simple à réaliser, et dont l'impédance d'entrée soit constante. Résumé
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un atténuateur de signal radiofréquence comprenant une pluralité de blocs successifs dont chacun est constitué d'un premier condensateur connecté entre un noeud d'entrée du bloc et un noeud de sortie du bloc, et d'un deuxième condensateur connecté entre ledit noeud de sortie et un noeud de référence, le noeud de sortie de chaque bloc autre que le dernier bloc étant connecté au noeud d'entrée du bloc suivant, l'atténuateur comprenant des moyens de sélection d'un des noeuds de sortie des blocs.
Selon un mode de réalisation, les moyens de sélection comprennent, pour chaque bloc, un interrupteur connecté entre le noeud de sortie du bloc et la sortie de l'atténuateur.
Selon un mode de réalisation, un troisième condensateur est connecté entre le noeud de sortie du dernier bloc et le noeud de référence de l'atténuateur.
Selon un mode de réalisation, chaque deuxième condensateur a une première valeur de capacité, le troisième condensateur a la première valeur et chaque premier condensateur a une deuxième valeur de capacité égale au double de la première valeur.
Selon un mode de réalisation, les condensateurs sont réalisés à partir de condensateurs unitaires ayant tous la même valeur de capacité.
Selon un mode de réalisation, l'atténuateur est adapté à recevoir un signal radiofréquence à atténuer au niveau du noeud d'entrée du premier bloc.
Un autre mode de réalisation prévoit un dispositif d'émission ou de réception d'un signal radiofréquence comprenant un atténuateur selon l'un des modes de réalisation ci-dessus.
Selon un mode de réalisation, l'entrée de l'atténuateur est couplée à une antenne et la sortie de l'atténuateur est couplée à l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique.
Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 illustre schématiquement un exemple de dispositif de réception d'un signal radiofréquence ; la figure 2 illustre sous forme de circuit un atténuateur radiofréquence du dispositif de la figure 1 ; et la figure 3 illustre, sous forme de circuit, un mode de réalisation d'un atténuateur radiofréquence à atténuation variable commandée.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés.
Dans la description qui suit, sauf précision contraire, le terme "sensiblement" signifie à 10 % près, de préférence à 5 % près. Par ailleurs, deux éléments sont dits connectés lorsqu'ils sont reliés directement l'un à l'autre, sans interposition d'un autre élément tel qu'un circuit, une résistance, une bobine, etc, et sont dits couplés lorsqu'ils sont reliés avec ou sans interposition d'au moins un autre élément.
La figure 1 illustre schématiquement et de façon très simplifiée un exemple d'un dispositif de réception d'un signal radiofréquence, c'est-à-dire d'un signal de fréquence comprise par exemple entre 300 kHz et 300 GHz, par exemple 13,56 MHz pour des applications de communication en champ proche ou NFC de l'anglais "Near Field Communication". Le signal radiofréquence est reçu par une antenne 1 et est transmis à l'entrée d'un atténuateur à atténuation variable 3 (ATT). Bien que cela ne soit pas représenté, des circuits intermédiaires peuvent être prévus entre l'antenne 1 et l'atténuateur 3, en particulier des capacités de liaison pour supprimer la composante continue du signal reçu par l'antenne. Le signal radiofréquence en sortie de l'atténuateur 3 est transmis à l'entrée d'un amplificateur à gain variable 5. La valeur de l'atténuation de l'atténuateur 3 et celle du gain de l'amplificateur 5 sont sélectionnées parmi plusieurs valeurs possibles par des signaux numériques de commande 7 fournis par un circuit de contrôle 9 (CTRL). Le signal radiofréquence en sortie de l'amplificateur 5 est transmis à l'entrée d'un filtre passe-bas 11 dont la sortie est couplée à l'entrée d'un convertisseur analogique numérique 13 (ADC de l'anglais "Analog to Digital Converter").
Dans ce dispositif, pour que la conversion du signal analogique en signal numérique par le convertisseur analogique numérique 13 soit la plus efficace possible, il est souhaitable que l'excursion maximale du signal en entrée du convertisseur 13 soit la plus proche possible de l'excursion maximale admise par le convertisseur 13 (ou dynamique d'entrée du convertisseur), notamment pour obtenir un rapport signal sur bruit le plus élevé possible. Il est également souhaitable que l'excursion maximale du signal en entrée du convertisseur 13 reste inférieure à la dynamique d'entrée du convertisseur pour ne pas écrêter le signal lors de sa conversion. Ainsi, si l'excursion du signal radiofréquence fourni par l'antenne est trop faible, ce signal est amplifié par l'amplificateur 5, l'atténuateur 3 étant commandé pour que son atténuation soit la plus faible possible. A l'inverse, si l'excursion du signal fourni par l'antenne est trop importante, ce signal est atténué par l'atténuateur 3, l'amplificateur 5 étant commandé pour que son gain soit le plus faible possible.
La figure 2 représente un exemple de circuit d'un atténuateur 3 à atténuation variable commandée. L'atténuateur 3 comprend un pont diviseur capacitif constitué d'un condensateur 15 et d'un élément capacitif 17 de type DTC ("Digitally Tunable Capacitor" - condensateur réglable numériquement) . Une borne du condensateur 15 est connectée à un noeud d'entrée 19, l'autre borne du condensateur 15 étant connectée à un noeud de sortie 21. Le condensateur 15 est par exemple un condensateur de liaison. Une borne de l'élément capacitif 17 est connectée au noeud 21, l'autre borne de l'élément 17 étant connectée à un noeud 23 mis à un potentiel de référence, par exemple la masse. L'élément capacitif 17 comprend plusieurs branches en parallèle entre les noeuds 21 et 23, six dans l'exemple représenté. Chaque branche comprend un condensateur 25 en série avec un interrupteur 27 constitué par exemple d'un ou deux transistors MOS. L'atténuateur 3 permet de disposer de plusieurs valeurs d'atténuation dont chacune correspond à une combinaison donnée des états ouverts ou fermés des interrupteurs 27.
En fonctionnement, un signal radiofréquence à atténuer Vin est appliqué au noeud 19. Une valeur d'atténuation est sélectionnée parmi les valeurs possibles en contrôlant l'état ouvert ou fermé de chaque interrupteur 27. Un signal atténué Vout est alors disponible au niveau du noeud 21.
Dans l'atténuateur 3 de la figure 2, l'impédance vue par le signal Vin dépend de la capacité de l'élément capacitif 17, c'est-à-dire de l'atténuation choisie. Ces variations d'impédance d'entrée de l'atténuateur 3 entraînent une mauvaise adaptation d'impédance en entrée de l'atténuateur, d'où il résulte un signal fourni à l'atténuateur plus bruité et/ou une diminution de l'excursion maximale de ce signal.
En outre, lorsque que chaque interrupteur 27 est constitué d'un ou deux transistors MOS, il existe une capacité parasite entre les bornes de l'interrupteur résultant des capacités parasites de drain/source des transistors MOS. Lorsque l'interrupteur 27 est fermé, cette capacité parasite est généralement négligeable devant la capacité du condensateur 25 avec lequel il est en série. En revanche, cela n'est pas le cas lorsque l'interrupteur est ouvert. Ainsi, la capacité de l'élément capacitif 17 est modifiée par les capacités parasites des transistors MOS et par l'état passant ou bloqué de ces derniers, d'où il résulte qu'il est difficile de concevoir un atténuateur fournissant des valeurs d'atténuations à un pas régulier, et de réaliser l'adaptation d'impédance en entrée de l'atténuateur. De plus, lorsque le ou les transistors constitutifs d'un interrupteur sont à l'état passant, ils introduisent une résistance Ron en série avec l'élément capacitif 17 correspondant ce qui dégrade le facteur de qualité de l'atténuateur, et modifie les valeurs de l'impédance d'entrée et d'atténuation de l'atténuateur.
La figure 3 illustre un mode de réalisation d'un atténuateur radiofréquence à atténuation variable commandée 30 palliant au moins certains des inconvénients de l'atténuateur 3 de la figure 2. L'atténuateur 30 comprend N blocs Ay successifs, avec i entier allant de 1 à N, et N entier supérieur ou égal à 2. Comme on le verra ci-après plus en détail, un atténuateur 30 à N blocs permet d'obtenir N valeurs différentes d'atténuation. Chaque bloc Ay est constitué d'un premier condensateur Cly connecté entre un noeud d'entrée Iny du bloc et un noeud de sortie Outy du bloc, et d'un deuxième condensateur C2-j_ connecté entre le noeud Outy et un noeud de référence Ref. Le noeud de sortie Outy de chaque bloc Ay (à l'exception du dernier bloc Ayj) est connecté au noeud d'entrée Iny+y du bloc suivant Ay+y.
Dans un exemple de réalisation, un condensateur C3 est connecté entre le noeud de sortie Outyj du dernier bloc Ayj et le noeud Ref.
En fonctionnement, le noeud de référence Ref est mis à un potentiel de référence, par exemple le potentiel de masse. Un même potentiel de polarisation peut être appliqué à chacun des noeuds Outy, par exemple quand l'atténuateur 30 est connecté après une capacité de liaison. A titre d'exemple, un potentiel Vdd/2, avec Vdd le potentiel haut d'alimentation de l'atténuateur, est appliqué à chaque noeud Outy. Un signal radiofréquence à atténuer Vin est appliqué au noeud d'entrée Iny du premier bloc Ay et des signaux atténués sont alors disponibles au niveau de chacun des noeuds Outy. Plus le noeud de sortie Outy appartient à un bloc d'indice i élevé, c'est-à-dire plus le bloc Ay est éloigné du premier bloc Ay et est proche du dernier bloc Ayj, plus le signal fourni par ce noeud est atténué par rapport au signal Vin. En fonction de la valeur d'atténuation choisie parmi les N valeurs disponibles, des moyens de sélection sont commandés pour sélectionner le noeud Outy correspondant.
Dans le mode de réalisation illustré, les moyens de sélection comprennent des interrupteurs SWy. Chaque interrupteur SWy est connecté entre le noeud Outy du bloc Ay correspondant et un noeud ou borne de sortie Out de l'atténuateur 30. La sélection d'un noeud Outy consiste alors à fermer l'interrupteur SWy correspondant, et à ouvrir tous les autres interrupteurs. Un signal de sortie Vout correspondant au signal Vin atténué d'une valeur sélectionnée est alors disponible au niveau du noeud Out. A titre d'exemple, chaque interrupteur SWy correspond à un ou deux transistors MOS dont les grilles reçoivent un signal numérique de commande. Par exemple, chaque interrupteur SWy correspond à un transistor MOS à canal N et à un transistor MOS à canal P connectés en parallèle entre le noeud Out et le noeud Outy correspondant.
Les N valeurs possibles d'atténuation de l'atténuateur 30 dépendent de la capacité de chaque condensateur Cly, C2y et C3. Chaque condensateur Cly ou C2y d'un bloc Ai donné peut avoir une capacité différente de celles des condensateurs des autres blocs. L'homme du métier est en mesure de calculer la valeur de chaque condensateur Cly, C2y et 03 en fonction des N valeurs d'atténuation dont il souhaite disposer. La configuration de l'atténuateur 30 entraîne que la capacité de chaque condensateur Cly, C2y et 03 peut être facilement calculée, par exemple à l'aide d'un tableur édité dans le logiciel désigné par l'appellation Excel.
De préférence, les valeurs des condensateurs Cly, C2y et 03 sont choisies de façon que l'atténuation du signal disponible au niveau du noeud Outy d'un bloc Ay par rapport au signal appliqué au noeud Iny de ce bloc Ay soit sensiblement constante quel que soit le bloc Ay considéré. A titre d'exemple, dans le cas où, pour chaque bloc Ay, un signal est atténué de 6 dB entre le noeud Iny et le noeud Outy du bloc, chaque condensateur C2y a une capacité C, par exemple 1 F, chaque condensateur Cly a une capacité 2*0, et le condensateur 03 a une capacité C. Le signal disponible au niveau d'un noeud Outy correspond alors au signal Vin atténué de i*6 dB. La configuration de l'exemple ci-dessus est particulièrement avantageuse du fait qu'elle permet d'obtenir, entre chaque noeud Outy et le noeud Ref, une même capacité de valeur 2*0. Cette configuration est particulièrement simple à mettre en oeuvre.
De manière avantageuse, l'impédance d'entrée de l'atténuateur 30 est sensiblement constante quel que soit le noeud
Out y sélectionné. Cela résulte du fait que, quel que soit le noeud Outy sélectionné, tous les condensateurs Cly, C2et C3 sont couplés au noeud d'entrée Inl de l'atténuateur contrairement au cas de l'atténuateur de la figure 2 où, selon l'atténuation sélectionnée, certains condensateurs 25 ne sont pas couplés au noeud d'entrée 19 de l'atténuateur. Par exemple, l'impédance d'entrée de l'atténuateur est sensiblement constante quand la capacité de la charge connectée en sortie de l'atténuateur 30 est négligeable devant la capacité de chacun des condensateurs Cl y, C2y et C3, par exemple quand la capacité de la charge est au moins 10 fois plus faible que la plus petite capacité de ces condensateurs. A la différence de l'atténuateur 3 de la figure 2, aucun condensateur de l'atténuateur 30 n'est en série avec un ou plusieurs transistors. Cela permet de s'affranchir de l'influence des capacités parasites et de la résistance Ron de ces transistors sur les valeurs d'atténuation et sur la valeur de l'impédance d'entrée de l'atténuateur.
Du fait que les blocs Ay de l'atténuateur 30 ne comprennent que des éléments capacitifs et aucun élément résistif, l'atténuateur n'introduit que très peu de bruit thermique et ne consomme pas de courant continu (ou DC). Ainsi, l'atténuateur 30 est particulièrement adapté à des applications de communication basse consommation , par exemple des applications de communication en champ proche ou NFC de l'anglais "Near Field Communication", ou des applications Bluetooth basse consommation ou BLE de l'anglais "Bluetooth Low Energy".
Chacun des condensateurs Cly, C2-j_ et C3 est par exemple réalisé à partir d'un condensateur unitaire ou de plusieurs condensateurs unitaires associés en parallèle et/ou en série, tous les condensateurs unitaires ayant la même capacité. Cela permet de simplifier la conception et la fabrication d'une puce de circuit intégré comprenant l'atténuateur 30, notamment en organisant les condensateurs en matrice. Cela permet également de réduire les dispersions sur les capacités des condensateurs Cly, C2y et C3 par rapport au cas où chacun de ces condensateurs correspondrait à un condensateur unique ayant la capacité désirée. A titre d'exemple, dans le cas où on souhaite obtenir les valeurs d'atténuation -2, -4, -6, -8, -10, -12, -14 et -16 dB, on prévoit un atténuateur 30 ayant 8 blocs Ay, par exemple sans condensateur C3. Les condensateurs ont alors les valeurs suivantes : Clg=3,86*C, C2g=C, C17=7*C, C27=C, C16=9*C, C26=C, C15=12*C, C25=C, C14=13*C, C24=C, C13=14*C, C23=C, C12=15*C, C22=C, Cly=15*C et C2y=C, avec C égale 200 fF par exemple. Dans ce cas, les divers condensateurs Cly, C2y peuvent être réalisés à partir d'une matrice de condensateurs unitaires ayant chacun une capacité C.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'atténuateur 30 peut être utilisé en lieu et place de l'atténuateur 3 de la figure 1. Les moyens de sélection de l'un ou l'autre des noeuds Outy sont alors commandés par les signaux 7 du circuit de contrôle CTRL 9. Plus généralement, l'atténuateur 30 peut être utilisé dans tout dispositif d'émission ou de réception radiofréquence et dans tout dispositif radiofréquence où un signal radiofréquence est atténué d'une valeur sélectionnée par des signaux de commande parmi plusieurs valeurs possibles.
Par ailleurs, dans le cas d'un récepteur de signal radiofréquence conçu pour traiter un signal radiofréquence différentiel mesuré entre deux noeuds ayant des excursions de tension égales et opposées par rapport à un potentiel fixe couramment appelé mode commun, l'un de ces deux noeuds est couplé à l'entrée d'un premier atténuateur 30, l'autre de ces deux noeuds est couplé à l'entrée d'un deuxième atténuateur 30. Dans ce cas, le potentiel de mode commun peut être appliqué à chaque noeud Outy des premier et deuxième atténuateurs 30 du récepteur de signal radiofréquence.
Bien que cela n'ait pas été indiqué ci-dessus, un atténuateur 30 du type de celui de la figure 3 peut être entièrement réalisé sous la forme d'un circuit intégré, par exemple sur silicium. Plus généralement, un récepteur de signal radiofréquence, par exemple du type de celui de la figure 1, ou un émetteur de signal radiofréquence comprenant au moins un atténuateur 30 peuvent être réalisés sous la forme d'un circuit intégré.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS
    1. Atténuateur de signal radiofréquence comprenant une pluralité de blocs successifs (Ay) dont chacun est constitué d'un premier condensateur (Cl-jJ connecté entre un noeud d'entrée (In-jJ du bloc et un noeud de sortie (Out-jJ du bloc, et d'un deuxième condensateur (C2-j_) connecté entre ledit noeud de sortie (Outy) et un noeud de référence (Ref) , le noeud de sortie (Outy) de chaque bloc (Aj_) autre que le dernier bloc (A^) étant connecté au noeud d'entrée (Iny) du bloc suivant, l'atténuateur comprenant des moyens de sélection (SWy) d'un des noeuds de sortie (Outy) des blocs (Aj_) .
  2. 2. Atténuateur selon la revendication 1, dans lequel les moyens de sélection comprennent, pour chaque bloc (A-j_) , un interrupteur (SW-j_) connecté entre le noeud de sortie (Outy) du bloc (Aj_) et la sortie (Out) de l'atténuateur.
  3. 3. Atténuateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel un troisième condensateur (C3) est connecté entre le noeud de sortie (Out^) du dernier bloc (A^) et le noeud de référence (Ref) de l'atténuateur.
  4. 4. Atténuateur selon la revendication 3, dans lequel chaque deuxième condensateur (C2-j_) a une première valeur de capacité (C), le troisième condensateur a la première valeur et chaque premier condensateur (Cl-jJ a une deuxième valeur de capacité égale au double de la première valeur.
  5. 5. Atténuateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les condensateurs (Cly, C2-j_, C3) sont réalisés à partir de condensateurs unitaires (C) ayant tous la même valeur de capacité.
  6. 6. Atténuateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, adapté à recevoir un signal radiofréquence à atténuer (Vin) au niveau du noeud d'entrée (Iny) du premier bloc (A]_) .
  7. 7. Dispositif d'émission ou de réception d'un signal radiofréquence comprenant un atténuateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
  8. 8. Dispositif de réception selon la revendication 7 dans lequel l'entrée de l'atténuateur (3) est couplée à une antenne (1) et la sortie de l'atténuateur est couplée à l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique (13).
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