Conception d’un amplificateur faible bruit
reconfigurable à base d’inductance active

Introduction

L’un des blocs les plus importants dans les systèmes de communications sans fil, en réception, est l’amplificateur à faible bruit. Placé au début de la chaîne de réception, il a pour but d’amplifier le signal reçu avec un gain élevé et doit présenter un faible facteur de bruit, être linéaire et consommer le moins possible. La majorité des LNA sont réalisés avec des inductances passives. Ces dernières présentent plusieurs inconvénients : il est par exemple difficile de concevoir simultanément une inductance de grande valeur avec une faible surface et un bon facteur de qualité. C’est dans l’objectif de trouver une topologie d’inductance active améliorant ce compromis que nous nous sommes intéressés à ces structures. En premier lieu, les topologies de base d’inductances actives conçues avec des transistors de la technologie CMOS sont présentées. En second lieu, quelques topologies dérivées des structures de base présentant des améliorations sont introduites. Cette étude a pour but de mettre en évidence toutes les techniques existantes dans la littérature traitant la possibilité d’agilité de la valeur de l’inductance ainsi que de son facteur de qualité. Cette analyse bibliographique nous a permis de proposer une nouvelle structure d’inductance active. Pour vérifier et valider les bénéfices de cette nouvelle topologie, cette dernière est placée comme charge d’un circuit amplificateur faible bruit. Le LNA conçu pourra alors être reconfiguré en termes de bande passante, de fréquence de travail et de gain. L’avantage principal du LNA fabriqué repose sur le fait qu’aucune inductance passive n’est utilisée. II.2 Conception de l’inductance active On a vu dans le premier chapitre que l’inductance active peut être obtenue à partir d’un montage de type gyrateur. Le montage gyrateur élémentaire se compose au minimum de deux transconducteurs connectés en contre-réaction. Deux configurations sont possibles :  le transconducteur de la voie directe est configuré avec une transconductance positive quand le transconducteur de la voie de contre réaction est configuré avec une transconductance négative  le transconducteur de la voie directe est configuré avec une transconductance négative quand le transconducteur de la voie de contre réaction est configuré avec une transconductance positive Deux inductances actives à simple accès peuvent être réalisées (inductance équivalente reliée à la masse ou reliée à l’alimentation). 

Topologies de base d’une inductance active 

Les circuits de base d’une inductance active sont présentés sur la Figure II-1. Dans la Figure II-1(a), le transconducteur de la voie directe présente une transconductance négative qui est configurée par un montage source commune tandis que le transconducteur de la voie retour présente une transconductance positive qui est configurée par un montage drain commun. L’inductance active de ce montage est représentée dans ce cas par un résonateur RLC équivalent connecté à la masse. Dans la Figure II-1(b), le transconducteur de la voie directe présente une transconductance positive qui est configurée par un montage grille commune tandis que le transconducteur de la voie inverse présente une transconductance négative qui est configurée par un montage source commune. Cette fois-ci l’inductance active est équivalente à un résonateur RLC relié à l’alimentation. Pour augmenter la gamme de fréquences correspondant à un fonctionnement inductif (ωzéro < ω < ωpôle), les valeurs RS et de CP doivent être réduite au maximum (cf. I.3.3), ce qui revient, d’une part, à réduire g01 et Cgs1 et d’autre part, à augmenter les transconductances gm1 et gm2. Néanmoins, une augmentation de gm1 et gm2 réduit la valeur de l’inductance L (voir expression (II.4)). En résumé, l’objectif est d’obtenir un facteur de qualité élevé et constant pour différentes valeurs d’inductances. Ceci est impossible avec ces deux topologies de base puisque la variation de la valeur de L (utilisant les transconductances des deux transistors (gm1 et gm2)) aura aussi un effet sur la valeur de RS et donc sur la valeur du facteur de qualité. Ce qui revient à dire qu’on ne peut pas avoir le même facteur de qualité Q pour différentes valeurs d’inductance L avec ces deux topologies. Des recherches ont donc été développées pour disposer de nouvelles topologies d’inductance active où les valeurs de L et de Q peuvent être réglées indépendamment. Plusieurs méthodes sont recensées pour augmenter le facteur de qualité, les plus utilisées sont :  Réduire la conductance G01 de la résistance série (voir expression (II.3)) par l’utilisation d’un étage différentiel ou bien d’un étage cascode.  Utilisation d’un circuit générant une résistance négative afin de compenser les pertes résistives de l’inductance équivalente. 

Exemple de circuits d’inductance active

 Un premier exemple de réalisation d’une inductance active en technologie CMOS TSMC 0.18μm [113] est illustré sur Figure II-2. L’architecture de cette inductance repose sur la topologie de base illustrée dans la Figure II-1(a). Cependant, les auteurs dans [113] ont ajouté le transistor M3, qui grâce à sa tension de contrôle Vb modifie la valeur de la transconductance gm3. Ce qui implique d’une part la réduction de la valeur de L puisque son déploiement a été destiné pour une exploitation en basse fréquence (voir expression (II.8)) et d’autre part d’avoir une possibilité d’accord de la valeur de L.

Topologie de l’inductance active conçue 

La topologie de l’inductance active proposée dans ce travail est présentée sur la Figure II-6. C’est une inductance basée sur une transconductance négative qui a été présentée précédemment sur la Figure II-1(b). Cependant et contrairement aux inductances présentées dans les paragraphes précédents, la topologie d’inductance active proposée est équivalente à un résonateur RLC relié à l’alimentation (Figure II-1(b) vs Figure II-1(a)). L’intérêt est de pouvoir placer cette inductance active sur le drain du transistor signal d’un LNA. Le principe de cette inductance active a été inspiré par les architectures présentées précédemment [117] – [120] qui apportent des améliorations sur la topologie de base de la Figure II-1(a). Cependant, dans ce travail, ces solutions sont utilisées pour le gyrateur de base de la Figure II-1(b).