Architectures de circuits reconfigurables a base de MEMS RF

Les circuits électroniques utilisés actuellement dans les applications radiofréquences comme la téléphonie mobile et ses multitudes de protocoles (GSM, DCS, UMTS…, etc) ou bien encore les réseaux locaux sans fils (Wifi, Bluetooth) requièrent des composants de plus en plus performants tant en termes de rapidité que de critères fréquentiels. Ainsi pour satisfaire les spécifications exigeantes de tous ces protocoles de télécommunication, les concepteurs ont à leur disposition plusieurs technologies basées sur des filières différentes et sur deux types de structures de transistors : CMOS et Bipolaire. Alors que les transistors MOS restent essentiellement utilisés dans les applications numériques, les transistors bipolaires sont eux les principaux composants actifs des circuits radiofréquences analogiques. Pour cela et dans un premier temps, les filières technologiques III-V étaient plébiscitées pour leurs très bonnes performances fréquentielles avec des fréquences de coupure pouvant atteindre plus de 300 GHz. Cependant leur coût de fabrication est un frein au développement des réseaux sans fil, tout comme leur incompatibilité avec les technologies silicium, qui leur interdit d’être directement intégrées avec les transistors CMOS. Afin de palier à ces défauts, des filières silicium hautes fréquences ont été développées grâce à l’ajout de germanium dans la Base qui permet ainsi la création d’hétérostructures. Les performances actuelles de ces technologies permettent aux transistors bipolaires de dépasser des fréquences de transition supérieures à 200 GHz ainsi qu’une intégration aisée avec les transistors CMOS. La filière BiCMOS allie donc les avantages des deux types de transistors.

ARCHITECTURES DE CIRCUITS RECONFIGURABLES A BASE DE MEMS RF

De nos jours, la multiplication des bandes de fréquences impose, si l’on veut conserver de faibles coûts de fabrication tout en miniaturisant toujours plus, de modifier l’approche de conception des circuits analogiques radiofréquences. Les techniques et architectures actuelles deviendront vite obsolètes et il semble impératif de repenser la conception des systèmes radiofréquences afin que ceux-ci apportent toujours plus de fonctionnalités.

La notion de reconfigurabilité sera sans aucun doute un élément prépondérant des futures architectures. En effet l’intégration de cette notion peut permettre de concevoir une seule chaîne de réception radiofréquences pouvant traiter suivant le choix de l’utilisateur, plusieurs normes de télécommunication. Bien sur, la reconfigurabilité n’est pas limitée au seul domaine fréquentiel mais peut être aussi appliquée à d’autres fonctionnalités, comme par exemple, son utilisation pour augmenter ou réduire la puissance d’émission d’un émetteur/récepteur de téléphonie mobile suivant la distance le séparant de la station de base la plus proche.

Dans cette perspective, nous présenterons au cours de ce chapitre le concept d’un amplificateur faible bruit reconfigurable aux fréquences HIPERLAN et BLUETOOTH. Pour cela nous analyserons les divers composants pouvant permettre d’introduire la notion de reconfigurabilité dans les circuits radiofréquences et nous citerons quelques exemples de réalisation. Nous présenterons ensuite nos choix technologiques, en proposant d’associer la technologie SiGe développée par STMicroelectronics avec la filière innovante MEMS RF développée au LAAS-CNRS. Nous montrerons alors tout l’intérêt d’utiliser les technologies SiGe par rapport aux filières silicium et AsGa et nous constaterons un peu auparavant que la filière MEMS RF permet de réaliser des composants aux performances radiofréquences supérieures à leurs homologues semi-conducteurs. Nous proposerons d’associer ces deux technologies au moyen d’une intégration monolithique dite « above IC », qui consiste à réaliser les composants de la filière MEMS en post procédé sur la plaquette contenant les circuits SiGe.

Au final nous établirons les valeurs des différents composants de l’amplificateur faible bruit reconfigurable en fréquence et nous présenterons le dessin des masques de la partie du circuit intégré en technologie SiGe.

Les circuits reconfigurables

Chaîne de réception RF et intérêts de la reconfigurabilité 

L’engouement actuel pour les communications sans fil grand public comme la téléphonie mobile avec le GSM, le GPRS, et l’UMTS ou bien les communications entre divers appareils électroniques (Bluetooth, WIFI,…) imposent à l’industrie d’innover afin d’améliorer les performances et réduire les coûts de production. En effet les modules hyperfréquences doivent de plus en plus présenter non seulement des performances électriques sans cesse améliorées (bruit, linéarité, consommation) mais aussi des fonctionnalités nouvelles (réglages, reconfigurabilité, fonctionnement multi-standard) ainsi que des compacités améliorées et des coûts de fabrication les plus réduits possibles. Les perspectives apportées par l’utilisation des technologies SiGe permettent d’envisager la réalisation de circuits intégrés jusqu’aux fréquences millimétriques mais cela ne suffira certainement pas pour satisfaire aux exigences du futur.

De nos jours les téléphones portables sont devenus multi fonctions avec lecteur de musique mp3, console de jeux, agenda et bien sur toutes les fonctions liées aux radiofréquences. Nous pouvons constater que les parties électroniques traitant les communications radiofréquences occupent près d’un tiers de la surface disponible, ce qui démontre l’intérêt de travailler sur ces architectures afin de gagner sur la surface occupée.

Nous pouvons constater que la plupart des composants (LNA, PA, SAW FILTER,…) sont présents deux fois, c’est-à-dire qu’une chaîne de réception RF propre est attribuée à chaque bande de fréquence. Il est donc intéressant d’envisager des architectures où ces composants seraient reconfigurables et permettraient un fonctionnement sur l’une ou l’autre bande fréquentielle [1]..[5] (ces dernières ne sont jamais utilisées en même temps mais plutôt par alternance suivant la disponibilité des réseaux). Nous aurions alors un gain significatif en terme de surface occupée qui se traduirait par une minimisation du coût de fabrication, dans la limite où les nouvelles architectures soient d’un coût équivalent aux anciennes. Cet aspect de reconfigurabilité sera d’autant plus attrayant que de nouvelles normes fréquentielles font leur apparition (UMTS, GPRS, 3G,…) et que les nouveaux récepteurs devront donc gérer non pas deux fréquences mais sans doute plus de quatre fréquences avec toutes les conséquences en terme de surface occupée.

Pour optimiser cette surface occupée, on pourrait simplement profiter des progrès technologiques réalisés chaque jour en microélectronique qui consistent à réduire la taille des composants élémentaires. Mais dans le futur, nous serions alors confronté à une limitation technologique. On peut aussi songer en introduisant de nouveaux composants à optimiser les récepteurs RF avec le développement de nouvelles architectures reconfigurables qui apporteraient de réels avantages en matière de performance.

Pour ces nouvelles topologies reconfigurables, deux approches peuvent être considérées. La première consisterait à introduire des commutateurs permettant la commutation du signal RF vers les différents éléments de la chaîne de réception RF ou bien de commuter le signal entre divers réseaux d’adaptation.

La deuxième approche serait d’introduire des composants variables (capacités ou inductances) au niveau même des éléments de la chaîne de réception RF, qui modifieraient le fonctionnement de ces circuits en modifiant les caractéristiques des réseaux d’adaptation.

Quelque soit la méthodologie retenue, les composants introduits devront donc être variables et compatibles avec les procédés technologiques des circuits intégrés à base d’hétérostructures SiGe. Nous allons présenter dans le paragraphe suivant quelques composants permettant d’aller dans le sens de la reconfigurabilité des circuits radiofréquences.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE 1 ARCHITECTURES DE CIRCUITS RECONFIGURABLES A BASE DE MEMS RF
Introduction
I. Les circuits reconfigurables
1. Chaîne de réception RF et intérêts de la reconfigurabilité
2. Composants permettant d’introduire la fonction de reconfigurabilité
1) Les composants intégrés
2) Les MEMS RF
3) Conclusions
3. Etat de l’art des circuits reconfigurables
4. Concept d’un amplificateur faible bruit reconfigurable aux fréquences 2,45 et 5,5GHz
1) Réseaux d’adaptation reconfigurables basés sur la technologie MEMS RF
2) Intégration envisagée du micro-système
II. Technologie de circuit intégré retenue : BiCMOS SiGe
1) Principe général
2) Le transistor bipolaire à hétérojonction en régime statique
3) Caractéristiques en régime dynamique d’un transistor bipolaire à hétérojonction SiGe
2. Présentation de la technologie SiGe de STMicroelectronics
III. Conception d’un amplificateur faible bruit reconfigurable en fréquence grâce à l’apport de la technologie MEMS RF
1. Paramètres Radio fréquence à considérer
1) Optimisation en bruit
2) Adaptation en bruit et en puissance
3) Point de compression et Intermodulation
2. Conception et réalisation du circuit intégré
1) Spécifications du LNA bi-bandes
2) Simulations sous ADS et schémas électriques
(1) Pour un assemblage du LNA à base de MEMS par fils de soudure
(2) Pour un assemblage du LNA à base de MEMS de type « Above IC »
3) Les différents éléments parasites à considérer
4) Etude de la sensibilité des performances du LNA reconfigurable en fréquence par rapport aux variations des valeurs des capacités MEMS RF
5) Les dessins des masques des circuits intégrés
IV. Conclusions
CHAPITRE 2 Conceptions et réalisations d’une bibliothèque de composants MEMS RF en vue d’une intégration « Above IC »
Introduction
I. Composants MEMS RF en vue d’une intégration « Above IC »
1. Considérations mécaniques
2. Les procédés d’activation
3. Les Types de contact des MEMS
1) Micro-commutateurs ohmiques
(1) Définition et principe
(2) Champs d’applications
2) Les MEMS RF capacitifs
(1) Principe
(2) Champs d’applications
4. Les types de configuration de MEMS RF
5. Autre familles de MEMS RF
6. Comparaisons avec les technologies Semi-conducteur
1) Les avantages présentées par les MEMS RF
2) Les inconvénients et limites actuels des MEMS RF
II. Conception et Réalisation de capacités « série » et « parallèle » commutables MEMS RF – Développement d’une bibliothèque de MEMS RF
1. Topologie retenue en vue d’une intégration « Above IC »
1) Choix technologiques
(1) Couche de la transition « MEMS / IC » : un polymère
(2) La structure de la capacité variable MEMS RF
2) Choix liés à la conception radiofréquence
2. Modèle électrique des MEMS RF série
3. Conceptions des capacités variables MEMS RF
1) Les capacités variables séries MEMS RF
2) Les capacités variables parallèles MEMS RF
4. Fabrication des MEMS RF
1) Développement technologique des résistances intégrées
2) Le procédé technologique de MEMS RF compatible « above IC »
5. Caractérisations des MEMS RF du « Run 1 »
1) Analyses des mesures
2) Modifications à apporter pour le Run 2
6. Caractérisation des MEMS RF issus du « Run 2 »
1) Caractérisations technologiques
2) Caractérisations radiofréquences sous pointes
(1) Capacités variables MEMS RF séries
(2) Capacités variables MEMS RF parallèles
(3) conclusions
3) Etude sur l’actionnement des membranes
4) Conclusions
III. Conclusions
CHAPITRE 3 Intégration des MEMS RF avec le circuit SiGe
Introduction
I. Présentation des différentes techniques d’assemblage existantes
1. Approche par fils de soudure : « Wire Bonding »
2. Le report Flip-chip
3. Approche monolithique dite « Above IC »
4. Conclusions
II. Pré-Validation du concept de LNA reconfigurable à l’aide de circuits « tests » spécifiques
1. Prise en compte des éléments parasites dus à l’assemblage des technologies BiCMOS/MEMS RF
(1) En technologie BiCMOS de STMicroelectronics
(2) En technologie MEMS du LAAS
2. Conception des circuits à 2,45GHz et 5GHz
3. Caractérisation des circuits « tests »
III. Techniques d’assemblage mises en place en vue d’intégrer les MEMS au circuit SiGe
1. L’assemblage par fils de soudure ou « Wire Bonding »
2. Etude préliminaire de la technique de report Flip-Chip
1) Intégration de la fabrication des plots dans la filière technologique de MEMS RF
2) Réalisation et tests de reports
3. Etude préliminaire de l’intégration monolithique « hybride »
4. Conclusions sur l’assemblage
IV. Caractérisations RF du LNA avec MEMS assemblés par fils de soudure
1. Résultats à 2,45 GHz
2. Résultats à 5,5 GHz
V. Transfert technologique et discussions
VI. Conclusions
Bibliographie
Conclusion générale

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