Radiocommunications numériques / 2
Conception de circuits intégrés RF et micro-ondes
Martine Villegas
Dunod
Avant-proposXVII
Partie 1
Technologies d'intégration
Chapitre 1 - Évolution des technologies utilisées
pour les circuits intégrés radiofréquences
et micro-ondes3
1.1 Les technologies et les composants3
1.2 Les grandeurs caractéristiques essentielles5
1.3 Performance des technologies6
1.4 Évolution des technologies8
1.5 Utilisation des technologies10
Chapitre 2 - Les composants silicium11
2.1 Les technologies disponibles11
2.2 Comparaison des technologies bipolaires et CMOS RF11
2.3 La technologie BiCMOS SiGe13
2.3.1 Le SiGe contraint sur silicium13
2.3.2 L'intérêt de l'hétérojonction SiGe-Si14
2.4 La technologie LDMOS15
2.5 Les éléments passifs réalisés sur silicium15
2.5.1 Les résistances15
2.5.2 Les condensateurs plans16
2.5.3 Les inductances16
Chapitre 3 - Les composants arséniure de gallium17
3.1 Rappels des propriétés des matériaux III-V17
3.2 Le transistor MESFET19
3.3 Les transistors de type HEMT20
3.4 Le transistor HBT23
3.5 Les éléments passifs réalisés sur arséniure de gallium25
Partie 2
Techniques de conception de circuits micro-ondes
linéaires
Chapitre 4 - Lignes de transmission29
4.1 Généralités29
4.2 Paramètres primaires29
4.3 Équation de propagation30
4.4 Paramètres secondaires30
4.5 Lignes sans pertes31
4.6 Longueur d'onde31
4.7 Lignes chargées31
4.8 Lignes microruban33
4.9 Abaque de Smith35
4.10 Les éléments distribués36
4.10.1 Le tronçon de ligne sans pertes36
4.10.2 La ligne en court-circuit (stub court-circuit)37
4.10.3 La ligne en circuit ouvert (stub circuit ouvert)38
4.10.4 Le transformateur quart d'onde39
Chapitre 5 - Paramètres S, adaptation d'impédances41
5.1 Généralités41
5.2 Définition41
5.3 Coefficient de réflexion43
5.4 Notion de puissance44
5.4.1 Le dipôle44
5.4.2 Le générateur44
5.5 Transfert de puissance dans les circuits micro-ondes45
5.5.1 Pertes par désadaptation45
5.5.2 Gains en puissance des quadripôles46
5.6 Adaptation d'impédance48
5.6.1 Présentation du problème48
5.6.2 Adaptation à éléments localisés49
5.6.3 Adaptation à éléments distribués58
Chapitre 6 - Circuits passifs65
6.1 Atténuateur65
6.2 Déphaseur65
6.3 Isolateur66
6.4 Circulateur67
6.5 Diviseurs, combineurs67
6.5.1 Diviseur résistif 3R68
6.5.2 Diviseur combineur Wilkinson69
6.5.3 Applications70
6.6 Coupleurs bidirectionnels70
6.7 Jonctions hybrides72
6.7.1 Jonction branchline73
6.7.2 Coupleur de Lange73
6.7.3 Jonction rat-race73
6.7.4 Applications74
Chapitre 7 - Filtres passifs75
7.1 Introduction75
7.2 Les filtres à ondes de surface77
7.2.1 Principe de fonctionnement77
7.2.2 Constitution77
7.2.3 Mise en équation simplifiée78
7.2.4 Bilan sur les filtres SAW79
7.3 Filtres LC à éléments localisés et à éléments distribués80
7.3.1 Filtres LC à éléments localisés80
7.3.2 Filtres LC à éléments distribués86
7.4 Les filtres à lignes couplées94
7.4.1 Principe94
7.4.2 Illustration sur un exemple96
7.5 Conclusion97
Chapitre 8 - Amplificateurs fonctionnant en régime
linéaire99
8.1 Les différents types d'amplificateurs dans une chaîne
d'émission-réception99
8.2 Rendements d'un amplificateur100
8.3 Critères de stabilité101
8.4 Cercles à gain constant107
8.5 Topologies d'amplificateurs et applications108
8.6 Amplificateur à structure différentielle110
8.6.1 Décomposition en modes pair et impair110
8.6.2 Application à l'étude d'un amplificateur différentiel112
Chapitre 9 - Amplification faible bruit115
9.1 Le bruit dans un quadripôle linéaire115
9.1.1 Rappels sur les notions de bruit115
9.1.2 Définition du facteur de bruit117
9.2 Cercles à bruit constant120
9.3 Facteur de bruit d'une chaîne de quadripôles121
9.4 Exemple de conception d'un amplificateur faible bruit121
9.4.1 Introduction121
9.4.2 Étude des caractéristiques du transistor123
9.4.3 Synthèse du réseau d'entrée127
9.4.4 Synthèse du réseau de sortie128
9.4.5 Analyse de l'amplificateur complet129
Bibliographie de la partie 2130
Partie 3
Techniques de conception de circuits micro-ondes
non linéaires
Chapitre 10 - Modélisation et simulation des
phénomènes non linéaires133
10.1 Grandeurs non linéaires caractérisant un circuit133
10.1.1 Définition d'un circuit non linéaire133
10.1.2 Point à 1 dB de compression134
10.1.3 Les produits d'intermodulation136
10.1.4 Les caractéristiques d'intermodulation138
10.2 Distorsions dues aux éléments radiofréquences139
10.2.1 Distorsions linéaires140
10.2.2 Distorsions non linéaires142
10.3 Grandeurs non linéaires caractérisant un système144
10.3.1 L'ACPR (Adjacent channel power ratio)144
10.3.2 L'EVM (Error vector measurement)145
Chapitre 11 - Amplification de puissance149
11.1 Polarisation des composants et classes de fonctionnement149
11.1.1 Les classes de fonctionnement149
11.1.2 Circuit de polarisation d'un composant149
11.1.3 Points de fonctionnement d'un transistor150
11.2 Rendement théorique selon les classes de fonctionnement153
11.3 Caractérisation dans le cas d'un fonctionnement classe A155
11.4 Méthodes de conception d'un amplificateur de puissance159
11.5 Chaînes d'amplificateurs de puissance161
11.5.1 Rappels sur le fonctionnement des coupleurs 3 dB en
quadrature de phase162
11.5.2 Équations de l'amplificateur équilibré162
11.5.3 Exemples de calcul de chaîne d'amplification de
puissance164
Chapitre 12 - Techniques de linéarisation167
12.1 Introduction167
12.2 Techniques de contre-réaction ou feedback168
12.2.1 Principe de la méthode de la boucle cartésienne169
12.2.2 Exemple d'application de la boucle cartésienne170
12.3 Techniques de type feedforward171
12.4 Techniques d'attaque par des signaux à enveloppe constante171
12.4.1 Méthode LINC172
12.4.2 Méthode CALLUM172
12.4.3 Méthode EER173
12.5 Techniques de prédistorsion numérique173
Chapitre 13 - Oscillateurs177
13.1 Introduction à la génération de fréquence177
13.2 Théorie de l'oscillation178
13.2.1 Conditions d'oscillation178
13.2.2 Conditions de stabilité184
13.2.3 Conception des oscillateurs à réaction série186
13.2.4 Conception des oscillateurs à réaction parallèle195
13.3 Principales grandeurs caractéristiques d'un oscillateur198
13.3.1 Bruit de phase198
13.3.2 Facteur de pushing201
13.3.3 Facteur de pulling201
13.4 Oscillateurs à fréquence fixe201
13.4.1 Introduction201
13.4.2 Oscillateurs à résonateur diélectrique202
13.5 Oscillateurs à fréquence variable212
13.5.1 Introduction212
13.5.2 Oscillateurs à varactor212
Chapitre 14 - Mélangeurs217
14.1 Caractéristiques électriques219
14.1.1 Gain de conversion219
14.1.2 Isolation219
14.1.3 Compression220
14.1.4 Point d'interception d'ordre 3220
14.1.5 Dynamique221
14.1.6 Facteur de bruit221
14.1.7 Fréquence image222
14.2 Simulation223
14.2.1 Modèles de mélangeurs dans HP-ADS223
14.2.2 Types d'analyses223
14.2.3 Fréquences d'analyse224
14.2.4 Produits d'intermodulation224
14.3 Mélangeurs à diodes225
14.3.1 Mélangeurs à simple diode227
14.3.2 Mélangeur équilibré228
14.3.3 Mélangeur doublement équilibré229
14.4 Mélangeurs à transistors230
14.4.1 Mélangeurs à transistors bipolaires231
14.4.2 Mélangeurs à transistors à effet de champ231
14.5 Mélangeurs à réjection de fréquence image235
Chapitre 15 - Commutateurs237
15.1 Grandeurs caractéristiques237
15.2 Description technologique des différents commutateurs238
15.2.1 Interrupteur mécanique238
15.2.2 Interrupteur à diodes Schottky238
15.2.3 Interrupteur à diodes PIN238
15.3 Utilisation d'un transistor MESFET en commutation239
15.3.1 Introduction239
15.3.2 Schéma équivalent du MESFET en commutation240
15.4 Topologies de commutateurs242
15.4.1 Commutateur SPST à MESFET série242
15.4.2 Commutateur SPST à MESFET parallèle243
15.4.3 Commutateur SPST à MESFETs série et parallèle245
15.4.4 Commutateur SPST multi-étages246
15.4.5 Commutateur SPDT247
15.4.6 Réseaux de commutation248
15.5 Exemple d'application : commutateur SPST249
Chapitre 16 - Les déphaseurs hyperfréquences253
16.1 Introduction253
16.2 Les déphaseurs numériques254
16.2.1 Déphaseur en réflexion254
16.2.2 Déphaseur en transmission256
16.3 Les déphaseurs analogiques264
16.3.1 Le déphasage du MESFET264
16.3.2 Déphaseur à combinaison vectorielle267
16.3.3 Déphaseur à cellule RC268
16.3.4 Déphaseur mixte analogique/numérique271
Bibliographie de la partie 3272
Partie 4
Techniques de conception spécifiques aux ASICs RF
bipolaire et MOS
Chapitre 17 - Rappels sur la modélisation petit signal
et grand signal du transistor bipolaire279
17.1 Fonctionnement d'une jonction PN279
17.1.1 Jonction à l'équilibre280
17.1.2 Jonction polarisée en inverse282
17.1.3 Expression du courant dans la jonction285
17.1.4 Expression de la capacité de diffusion285
17.2 Comportement grand signal du transistor286
17.2.1 Fonctionnement du transistor en mode normal direct et
inverse286
17.2.2 Caractéristiques du transistor NPN290
17.3 Modèle petit signal du transistor294
17.3.1 Définition de la transconductance294
17.3.2 Capacités du modèle équivalent295
17.3.3 Résistance du schéma équivalent296
17.4 Modèle grand signal du transistor297
17.4.1 Modèle d'Ebers-Moll297
17.4.2 Modèle de Gummel-Poon298
17.4.3 Paramètres de simulation du transistor299
Chapitre 18 - Amplificateurs à structures simple
et différentielle301
18.1 Caractéristiques fondamentales pour la conception
radiofréquence301
18.1.1 Fréquence de transition du transistor301
18.1.2 Bruit du transistor303
18.2 Structures simples d'amplificateurs309
18.2.1 Montage émetteur commun309
18.2.2 Montage émetteur commun avec dégénérescence
d'émetteur314
18.2.3 Montage base commune318
18.2.4 Montage collecteur commun321
18.2.5 Configuration collecteur commun - émetteur commun325
18.2.6 Configuration cascode327
18.3 Paires différentielles329
18.3.1 Principe de la paire différentielle329
18.3.2 Linéarité d'une paire différentielle334
18.3.3 Bruit dans les paires différentielles343
18.4 Sources de courant344
18.4.1 Source de courant simple344
18.4.2 Source de Widlar346
18.4.3 Source de Wilson348
18.4.4 Source de courant cascode349
Chapitre 19 - Mélangeurs utilisant une technologie
bipolaire351
19.1 La paire différentielle comme mélangeur351
19.2 Mélangeur simple équilibré352
19.3 Cellules de Gilbert353
Chapitre 20 - Rappels sur la modélisation petit signal
et grand signal du transistor MOS359
20.1 Comportement grand signal du transistor359
20.1.1 MOSFET de type n359
20.1.2 MOSFET de type p363
20.1.3 MOSFET canal court364
20.1.4 Effet de substrat et effet thermique365
20.1.5 Dégradation de la mobilité en fonction du champ vertical366
20.2 Schéma équivalent petit signal du MOSFET366
20.2.1 Transconductances367
20.2.2 Capacités intrinsèques de grille/source et de grille/drain368
20.2.3 Résistance d'entrée et de sortie368
20.2.4 Les éléments parasites du modèle368
Chapitre 21 - Amplificateurs MOS à structure simple
et différentielle, mélangeurs MOS371
21.1 Caractéristiques fondamentales pour la conception371
21.1.1 Fréquence de transition du transistor MOS371
21.1.2 Bruit dans le transistor MOS372
21.2 Montages amplificateurs de base du transistor MOSFET378
21.2.1 Montage source commune378
21.2.2 Montage grille commune379
21.2.3 Montage drain commun380
21.3 Paire différentielle en MOS382
21.3.1 Gains en mode commun et en mode différentiel :
fonctionnement en fréquences382
21.3.2 Linéarité d'une paire différentielle en MOS385
21.4 Mélangeur MOS386
21.4.1 Cellules de Gilbert à base de MOS386
Bibliographie de la partie 4389
Partie 5
Modélisation électromagnétique et application
à l'encapsulation
Chapitre 22 - Introduction aux techniques
d'encapsulation393
Chapitre 23 - Nécessité de la modélisation
électromagnétique399
23.1 Effets indésirables liés à l'encapsulation399
23.2 Qu'est-ce que l'électromagnétisme ?400
23.3 Les modes d'une ligne403
23.4 Couplages électromagnétiques405
23.5 Phénomènes de résonance406
23.6 Phénomènes de diffraction406
23.7 Conclusions408
Chapitre 24 - Phénomènes de couplage409
24.1 Couplages latéraux409
24.2 Coefficients de couplage412
24.3 Cas de plusieurs lignes de propagation414
24.4 Réduction des effets de couplages latéraux414
24.5 Couplages verticaux415
Chapitre 25 - Influence du boîtier419
25.1 Effet du boîtier métallique419
25.2 Effet du boîtier diélectrique420
25.3 Effet d'un couvercle métallique421
25.4 Effet de la proximité d'un plan de masse422
25.5 Solutions pour remédier aux effets d'ondes de fuite422
Chapitre 26 - Différents types de méthodes numériques425
26.1 La méthode des différences finies temporelles425
26.1.1 Maillage du volume de calcul426
26.1.2 Discrétisation426
26.1.3 Excitation430
26.1.4 Conditions particulières à la traversée de deux
diélectriques431
26.1.5 Conditions aux limites particulières431
26.1.6 Calcul de la constante de propagation432
26.1.7 Calcul des paramètres S432
26.1.8 Conclusions432
26.2 La méthode des éléments finis433
26.2.1 Principe de base de la méthode des éléments finis à une
dimension433
26.2.2 Principe de base de la méthode des éléments finis à trois
dimensions434
26.2.3 Application de la méthode aux problèmes
d'électromagnétisme436
26.2.4 Problème d'électromagnétisme dans le cas général439
26.2.5 Conclusions441
Bibliographie de la partie 5442
Annexe - Méthodes de simulation de circuits
et systèmes radiofréquences
et micro-ondes445
A.1 Classification des méthodes de simulation445
A.2 L'analyse DC446
A.3 L'analyse AC linéaire447
A.4 La simulation des paramètres S447
A.5 La simulation temporelle et l'équilibrage harmonique447
A.5.1 La simulation temporelle448
A.5.2 L'équilibrage harmonique448
A.6 La simulation d'enveloppe449
A.6.1 Principe théorique450
A.6.2 Dimensionnement de l'analyse451
A.6.3 Sources d'excitation456
A.6.4 Résultats456
Index457