Conception de circuits MMIC BiMOS SiGe appliqués à la synthèse de fréquence fractionnaire

Conception de circuits MMIC BiMOS SiGe appliqués à la synthèse de fréquence fractionnaire

Les différents oscillateurs micro-ondes

Les oscillateurs à fréquence fixe

Il existe plusieurs types d’oscillateurs selon les contraintes des applications envisagées. Les oscillateurs fixes sont généralement utilisés comme source de référence pour synchroniser une synthèse de fréquence par exemple. Ils sont réalisés principalement avec des résonateurs diélectriques (céramiques ou cristal comme le saphir ou le quartz) dont les coefficients de qualité sont très élevés (un f0*Q0 de 100 000 pour le céramique avec f0 exprimé en GHz à un Q0 de 4 000 000 000 pour le saphir refroidi). Ils sont parfaitement stabilisés et possèdent donc de très bons bruits de phase. La fréquence d’oscillation est fixée par les propriétés du résonateur.

Les oscillateurs synchronisés

Il existe aussi les oscillateurs synchronisés qui sont à mi-chemin entre la boucle à verrouillage de phase et l’oscillateur classique, et qui permettent d’obtenir des fréquences à puissance et phase constante sur la plage de synchronisation. Il est également possible Chapitre 2: L’oscillateur contrôlé en tension 48 d’obtenir des fréquences divisées du signal de référence lorsque la synchronisation de l’oscillateur se fait par l’injection d’une fréquence harmonique à la fréquence d’oscillation libre de l’oscillateur. L’oscillation est donc utilisée comme diviseur de fréquence, ou encore pour les réseaux d’antenne qui exploitent sa propriété de phase constante sur la plage de synchronisation.

Les oscillateurs contrôlés en tension (OCT)

Les oscillateurs à fréquence variable, plus connus selon leurs appellations d’oscillateurs contrôlés en tension sont utilisés dans la synthèse de fréquence (dans un contexte global de boucle à verrouillage de phase). Ceux-ci peuvent être réalisés en hybride avec une structure micro-ruban présentant un coefficient de qualité faible (environ 100) comparé aux résonateurs diélectriques : l’utilisation d’un varactor (associé à une inductance) ou d’un résonateur YIG (Q d’environ 1000) permet de réaliser d’accord en fréquence. Parmi les réalisations en monolithique, ces types d’oscillateurs utilisent un résonateur du type LC présentant un très faible coefficient de qualité compris entre 10 et 20. Notre étude est consacrée à ce type d’OCT, en réalisation MMIC utilisant la technologie SiGe (filière BiCMOS de ST Microelectronics).

Réalisation des Oscillateurs Contrôlés en Tension MMIC micro ondes

Les avantages principaux des oscillateurs MMIC sur leurs homologues hybrides sont : Une très bonne reproductibilité des puces La réduction des coûts de fabrication liée à l’absence de réglage post fabrication et à une production à fort rendement Un très haut niveau d’intégration La technologie BiCMOS vient appuyer ce gain lié à l’intégration de par les possibilités de regrouper sur une même puce les différentes fonctions d’un même système; cependant, pour la conception des oscillateurs, les coefficients de qualité des résonateurs réalisés en technologie monolithique ne sont pas comparables à ceux des résonateurs intégrables en hybride (cavités métalliques, quartz, SAW, diélectrique, saphir…) qui ont des coefficients de qualité allant de quelques centaines à quelques centaines de milliers. Les performances en terme de bruit de phase que l’on peut obtenir en technologie MMIC sont cependant suffisantes pour bon nombre d’applications. Les applications RADARs, systèmes pour l’automobile pour les télécommunications trouvent un intérêt particulier dans une telle technologie. La variété des OCT MMIC dépend d’une part de la technologie utilisée, et d’autre part de la topologie choisie. Les principales technologies sont répertoriés et décrites ci-après.

Le transistor bipolaire à homojonction sur silicium

Si Le silicium est largement utilisé en électronique classique. Son bas coût lié à la facilité à obtenir la matière première en est la raison principale. La maturité technologique et la maîtrise des procédés de fabrication le rendent aujourd’hui utilisable en RF. Un autre argument justifie l’intérêt des dispositifs actifs à base de silicium pour les applications électroniques : il possède en effet l’avantage de présenter un niveau de bruit basse fréquence très bas. Il devient alors le meilleur candidat pour la conception d’oscillateur faible bruit. Seules ses performances fréquentielles limitent son utilisation au delà de quelques GHz. La conception d’un OCT a cependant été reportée à 4,4 GHz

Le transistor bipolaire à hétérojonction 1 AlGaAs

L’AsGa (Arséniure de Gallium) est une technologie coûteuse apparue pour répondre aux exigences liées au domaine militaire et spatial inhérentes à la montée en fréquence. Avec le développement des systèmes de télécommunication grand public, cette technologie s’est démocratisée pour palier aux insuffisances en fréquence du silicium, et son coût a diminué en conséquence de la production accrue. L’introduction d’Aluminium a servi pour répondre à certaines exigences de puissance : cependant, le TBH AlGaAs a aussi trouvé sa place dans la synthèse de fréquence aux fréquences élevées. En effet, ce matériau présente une bande interdite élevée. La conception d’un émetteur AlGaAs associé à un matériau à bande interdite plus faible dans la base (ici l’AsGa) permet de travailler à plus haute fréquence, et d’augmenter le gain en courant. Un de ses inconvénients concerne la présence d’un fort niveau de bruit de génération recombinaison se manifestant par un changement des pentes sur l’allure du bruit de phase.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : LA BOUCLE A VERROUILLAGE DE PHASE
I. Introduction
II. Les différents types d’architecture de synthèse de fréquence
1.1 La synthèse de fréquence directe
1.2 La synthèse de fréquence numérique directe (DDS: Direct Digital Synthesizer)
1.3 La boucle à verrouillage de phase
1.3.1 La boucle à verrouillage de phase analogique (Analog PLL: Analog Phase Locked Loop) ou de type I
1.3.2 La boucle à verrouillage de phase numérique (Digital PLL) ou de type II
1.3.3 Autre architecture de synthèse de fréquence à base de PLL
1.4 Bilan sur la synthèse de fréquence
III.Description des éléments constitutifs de la PLL numérique
1.1 La source de référence
1.2 Le comparateur phase fréquence (PFD)
1.3 La pompe de charge
1.4 Le filtre de boucle
1.5 Le diviseur programmable
1.6 L’oscillateur contrôlé en tension
IV. Spécifications de la PLL
1.1 Temps d’établissement
1.2 Stabilité
1.3 Bruit de phase
1.4 Pics parasites
V. Linéarisation de la PLL
1.1 Linéarisation de la PLL du 2nd ordre
1.2 Linéarisation de la PLL du 3ème ordre
VI.Analyse en bruit de la PLL
1.1 Le bruit de phase de la PLL
1.1.1 Les différentes sources de bruit de la PLL
1.1.2 Contribution des différentes sources de bruit sur le bruit de phase global de la PLL par une description linéaire
1.1.3 Modèle de bruit de phase obtenu en sortie de la PLL
1.2 Les pics parasites de la PLL
1.2.1 Pics parasites issus de la fréquence de référence
1.2.2 Autres causes des pics parasites
1.2.3 Solutions de minimisation des pics parasites
VII. Bilan des performance
VIII. Conclusion
CHAPITRE 2 : L’OSCILLATEUR CONTRÔLÉ EN TENSION
I. Introduction
II. Etude théorique
1.1 Principe général de génération de l’oscillation
1.1.1 Les conditions générales d’oscillation
1.1.2 Démarrage des oscillations
1.1.3 La topologie parallèle
1.1.4 La topologie série
1.2 Les différents oscillateurs micro-ondes
1.2.1 Les oscillateurs à fréquence fixe
1.2.2 Les oscillateurs synchronisés
1.2.3 Les oscillateurs contrôlés en tension (OCT)
1.3 Réalisation des Oscillateurs Contrôlés en Tension MMIC micro ondes
1.3.1 Le transistor bipolaire à homojonction sur silicium
1.3.2 Le transistor bipolaire à hétérojonction
1.3.3 Le CMOS
1.3.4 BiCMOS SiGe
1.3.5 Bilan des technologie
1.4 Le bruit de phase
1.4.1 Définition du bruit de phase
1.4.2 Formulation générale du bruit de phase
1.4.3 La gigue (jitter)
1.4.4 L’origine du bruit de phase
1.4.5 Théories du bruit de phase
III.Simulation de l’oscillateur
1.1 L’analyse fréquentielle petit signal
1.2 L’analyse temporelle
1.2.1 L’analyse transitoire
1.2.2 L’analyse PSS (Periodic Steady State)
1.3 L’analyse tempo-fréquentielle
1.3.1 La méthode d’équilibrage harmonique
1.4 L’analyse du bruit de phase selon différents logiciels de CAO
1.4.1 Environnement ADS (Agilent)
1.4.2 Environnement Cadence
1.5 Conclusion
IV.Conception d’OCT en technologie BiCMOS SiGe
1.1 Les éléments passifs
1.1.1 Pertes par les couches de métallisation
1.1.2 Pertes par le substrat
1.1.3 Les inductances
1.1.4 Les capacités
1.2 Les éléments actifs
1.2.1 Le transistor
1.2.2 Le varactor
1.3 Choix des éléments actifs pour les réalisations en bande X
V. L’OCT parallèle en bande X
1.1 Description du circuit
1.2 Circuit électrique de l’oscillateur (présentation détaillée)
1.3 Optimisation du coefficient de conversion Kp pour la minimisation du bruit de phase
1.4 Mesures du circuit
1.4.1 Accordabilité de l’oscillateur
1.4.2 Récapitulatif des performances
VI.L’OCT série en bande X
1.1 OCT série bande X totalement intégré
1.1.1 Description du circuit
1.1.2 Circuit électrique de l’oscillateur (présentation détaillée)
1.1.3 Optimisation du coefficient de conversion Kp pour la minimisation du bruit de phase
1.1.4 Mesures du circuit
1.2 OCT série bande X avec une solution de filtrage externe pour l’amélioration du bruit de phase
VII. Conception d’un OCT à sortie différentielle en bande K
1.1 Réalisation d’un oscillateur push-push
1.2 Description du circuit
VIII. état de l’art
IX.Conclusion
CHAPITRE 3 : CONTRIBUTION A LA DIVISION FRACTIONNAIRE PROGRAMMABLE
I. Introduction
II. La division fractionnaire
1.1 Principe de base
1.2 Architectures variantes pour la division fractionnaire de fréquence 1
1.2.1 Division fractionnaire à ajout d’un taux de division alternatif
1.2.2 Division fractionnaire à numérateur et dénominateur programmable
1.2.3 Division fractionnaire à base de modulateur ∆Σ
1.2.4 Architecture de division fractionnaire retenue
III.La PLL à division fractionnaire
1.1 Description des différents blocs
1.1.1 Le comparateur phase fréquence et la pompe de charge
1.1.2 L’oscillateur contrôlé en tension
1.1.3 Simulation temporelle
1.2 Estimation du bruit de phase en sortie de la PLL
1.2.1 Bruit de la fréquence de référence
1.2.2 Bruit du comparateur phase-fréquence et de la pompe de charge
1.2.3 Bruit du filtre de boucle
1.2.4 Bruit de phase de l’OCT
1.2.5 Bruit du diviseur fractionnaire
1.2.6 Bruit estimé de la PLL
1.3 Perspectives
IV.Conclusion
CONCLUSION
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
1. References du chapitre 1
2. Références du chapitre 2
3. Références du chapitre 3