Soutenance mémoire
Le microsystème, Mélangeur à Réjection de Fréquence Image, introduit dans la première partie de ce manuscrit nécessite la conception de mélangeurs faisant interface entre la partie haute fréquence (dénommée RF pour Radio-Fréquence) et la partie basse fréquence (dénommée FI pour Fréquence Intermédiaire). Dans ce chapitre, nous présentons les différentes étapes de conception ainsi que la technologie d’intégration de ces mélangeurs ainsi que la campagne de caractérisation qui validera la partie active de nos travaux de recherche sur le microsystème complet. Après une brève introduction théorique du principe de fonctionnement et les principales caractéristiques des mélangeurs, nous allons nous intéresser aux différentes topologies actives de mélangeurs publiées récemment pour sélectionner celle la plus adaptée à notre application. La linéarité, paramètre de performance important car point faible des technologies silicium, sera le critère de performance qui sera optimisé vis-à-vis du courant consommé dans le cadre de notre étude. Finalement, le processus de conception sera présenté et sera accompagné par les caractérisations du circuit fabriqué. Des commentaires sur les performances obtenues seront donnés et des voies d’améliorations seront proposées.
FONCTION DE MELANGE
La Transposition de Fréquence
Dans chaque système de communication radiofréquence, il est nécessaire de translater en fréquence le spectre d’un signal informatif vers des fréquences supérieures ou inférieures à celle d’origine. La première raison de cette translation repose sur la non compatibilité entre le signal informatif, la voix humaine par exemple, et le canal de transmission radiofréquence, l’espace par exemple. La deuxième raison repose, quant à elle, sur les interférences provoquées entre signaux de même fréquence [B2.1, 2, 4].
A l’émission, la translation est réalisée vers des fréquences plus élevées que celle d’origine. D’après l’appellation anglo-saxonne, cette opération est appelée ‘Up Conversion’. Dans le cas contraire, elle est nommée ‘Down Conversion’.
Le Mélangeur
Les mélangeurs sont des dispositifs qui effectuent le mélange de deux signaux afin d’obtenir une transposition de fréquence du signal utile tout en gardant intacte l’information contenue dans ce dernier.
Le signal d’entrée est noté RF (pour signal Radio Fréquence) : il correspond au signal sur lequel nous voulons appliquer la translation de fréquence. Ce dernier est mélangé avec le signal OL (pour le signal Oscillateur Local) provenant de l’oscillateur local. Ce signal OL permet le mélange et sa fréquence correspond à la quantité de la translation fréquentielle. Le signal de sortie résultant de ce mélange est nommé FI (pour le signal Fréquence Intermédiaire).
Le Mélangeur Idéal
Dans le cas idéal, cette transposition de fréquence est le résultat du produit des deux signaux RF et OL dans le domaine temporel. En effet supposons deux signaux sinusoïdaux d’amplitude ARF et AOL .
Définition des différents paramètres de performance des mélangeurs
Gain de conversion
Cette caractéristique donne une indication sur l’efficacité de conversion de la puissance d’une fréquence à la fréquence de sortie désirée. Dans le cas général, le gain est défini comme le rapport de la puissance en sortie sur la puissance d’entrée. Le terme ‘conversion’ est utilisé pour indiquer que ces puissances sont considérées à des fréquences différentes. La puissance de sortie est prise à la fréquence intermédiaire alors que pour la puissance d’entrée, la fréquence à considérer est à la fréquence d’entrée RF.
Point d’interception d’ordre 3
Ce paramètre de performance primordial pour les mélangeurs indique le niveau de linéarité du circuit vis-à-vis d’une excitation multi-porteuses. Afin de déterminer cette caractéristique, il est nécessaire de considérer à l’entrée RF du mélangeur, deux signaux sinusoïdaux de même amplitude et de fréquences voisines. En effet, le signal RF est constitué, en pratique, de multiples raies spectrales contenant chacune une information. Lorsque ces deux signaux sont appliqués au mélangeur, l’interférence de ces derniers produit de l’intermodulation qui a pour effet de générer des composantes fréquentielles indésirables en sortie du système. Les produits d’intermodulation les plus gênants sont ceux d’ordre 3 car elles génèrent des signaux parasites très proches des signaux utiles en sortie, donc très délicat à filtrer.
LA TOPOLOGIE MICROMIXER
Principe de fonctionnement de la cellule de Gilbert
La cellule de Gilbert a été introduite par son inventeur Barrie Gilbert en 1967 et se présente sous la forme d’un agencement de trois paires différentielles . La fonction mélange est réalisée en tirant partie des différents modes de fonctionnement de ces paires différentielles en fonction de l’amplitude du signal d’entrée qui est appliquée à son entrée.
Cette structure est composée de deux étages, l’étage RF et l’étage OL. Le premier étage RF est constitué d’une simple paire différentielle (T1, T2) alors que l’étage OL en compte deux (T3, T4 et T5, T6). L’étage RF, nommée usuellement étage transconducteur, fonctionne et fixe le niveau de linéarité du mélangeur. Le terme transconducteur signifie que cet étage convertie une tension VRF en un courant différentiel IDiff. L’étage OL qui est à l’origine du caractère non linéaire indispensable pour la transposition de fréquence, fonctionne donc en régime non linéaire du fait de la forte amplitude du signal d’entrée OL. Cet étage dont les transistors T3, T4, T5 et T6 sont assimilables à des interrupteurs permet de laisser passer les courants I1 et I2 dans une branche ou dans l’autre du port de sortie FI à la cadence de la fréquence OL. Le signal de sortie différentiel FI est recueilli grâce à deux charges connectées au +Vcc.
Des techniques existent afin d’augmenter la linéarité [B2.21] de l’étage RF des Cellules de Gilbert comme :
– Dégénérescence d’émetteur : cette technique utilise deux résistances de dégénérescence connectées aux émetteurs de la paire différentielle. Cela permet d’augmenter la dynamique d’entrée avec comme contre partie une diminution du gain. Des inductances peuvent être également utilisées afin de ne pas introduire de bruit et de diminuer la chute de tension aux bornes des résistances.
– Technique de la Multi-tanh : cette technique utilise les propriétés de la fonction tangente hyperbolique d’une paire différentielle. Une cascade de paires différentielles avec différentes polarisations pour chacune permet d’étendre la dynamique d’entrée. Cependant cette technique est plus complexe à mettre en œuvre du fait de son nombre élevé de composants.
– Micromixer : dans ce type de mélangeur, la paire différentielle est remplacée par un étage fonctionnant en amplificateur en classe AB. Un signal d’entrée dont la dynamique est plus élevée que pour la Cellule de Gilbert peut être appliqué à cet étage RF tout en maintenant le même comportement entrée/sortie de ce dernier. Ainsi, la linéarité de cette structure est grandement améliorée.
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Table des matières
INTRODUCTION
POSITIONNEMENT DE NOS TRAVAUX DE RECHERCHE
I. Architectures de Récepteur
I.1. Architecture superhétérodyne
I.2. Problématique de la Fréquence Image
I.3. Mélangeur à réjection de fréquence image de type Hartley
II. Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
CONCEPTION D’UN MELANGEUR MILLIMETRIQUE EN BANDE K INTEGRE EN TECHNOLOGIE BiCMOS SiGe
I. Introduction
II. Fonction de Mélange
II.1. La Transposition de Fréquence
II.2. Le Mélangeur
II.3. Le Mélangeur Idéal
II.4. Définition des différents paramètres de performance des mélangeurs
II.5. Topologies actives de mélange
III.La Topologie MICROMIXER
III.1. Principe de fonctionnement de la cellule de Gilbert
III.2. Principe de fonctionnement du Micromixer
IV.Technologies d’Intégration de Circuits Actifs
IV.1. Description de la Technologie STMicroelectronics BiCMOS SiGe
IV.2. Optimisation de la Polarisation et du Dimensionnement des Transistors Bipolaires BiCMOS SiGe
V. Conception d’un Mélangeur Millimétrique Intégré en Technologie BiCMOS SiGe: Application à la Topologie Micromixer
V.1. Présentation des lignes directrices suivies lors de la conception
V.2. Présentation de l’intégration en Technologie BiCMOS SiGe
V.3. Performances Simulées
V.4. Performances Mesurées
V.5. Proposition d’amélioration
VI.Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
CONCEPTION DE COUPLEURS EN BANDE K INTEGRES EN TECHNOLOGIE MULTICOUCHES POLYMERE
I. Introduction
II. Technologie Multicouches Polymère
II.1. Intérêt de la technologie Multicouches Polymère
II.2. Impédances caractéristiques réalisables
II.3. Evaluation des performances de la technologie MultiCouches polymère développée au LAAS-CNRS
III.Conception de Coupleurs Passifs Distribués Intégrés en Technologie Multicouches Polymère
III.1. Différents types de coupleur étudiés
III.2. Conditions nécessaires pour le fonctionnement du coupleur ‘BranchLine
III.3. Conditions nécessaires pour le fonctionnement du coupleur ‘Broadside
III.4. Conception de coupleur BranchLine
III.5. Conception de coupleur Broadside
IV.Technique de Miniaturisation de Coupleurs Intégrés en Technologie Multicouches Polymère : Application aux coupleurs
IV.1. Méthode de réduction de lignes de transmission
IV.2. Conception de coupleur Branchline miniaturisé
IV.3. Etude approfondie sur les pertes d’insertions des coupleurs BranchLine miniaturisés
IV.4. Conception de coupleur BroadSide miniaturisé
IV.5. Conception de coupleur Marchand miniaturisé
V. CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
SYNTHESE DE NOS TRAVAUX DE RECHERCHE ESTIMATION DES PERFORMANCES DE L’INTEGRATION DE L’ARCHITECTURE D‘HARTLEY
I. Architecture superhétérodyne ‘classique’
II. Architecture d‘Hartley
III.Comparaison des deux architectures
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES
