Les circuits reconfigurables

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.

A l’heure actuelle la performance intrinsèque n’est plus le seul paramètre à considérer pour juger un module radiofréquence. Le nombre de protocoles fréquentiels pouvant être traités par le module est devenu primordial. Ainsi la majorité des téléphones portables actuellement sur le marché proposent de couvrir la plupart des bandes de fréquences avec des téléphones tri ou quadri-bandes tout en ajoutant la plupart du temps des fonctionnalités tel que le BLUETOOTH. Cette tendance impose donc la multiplication des circuits de réception et d’émission radiofréquences afin de traiter chacune de ces fréquences. Cela se traduit par une augmentation de la surface des puces radiofréquences allant donc à contre sens de la tendance menant vers toujours plus de miniaturisation. Afin de palier à cette problématique, il est opportun de créer des circuits reconfigurables, capables suivant le choix de l’utilisateur de fonctionner sur une bande de fréquences bien précise. Mais pour cela il est nécessaire de dessiner de nouvelles architectures basées sur l’apport de composants spécifiques tels que des varactors ou des commutateurs qui permettent de modifier les caractéristiques radiofréquences des circuits. Ces composants peuvent être issus non seulement des filières silicium classiques mais aussi d’une nouvelle filière apparue lors de ces quinze dernières années, la filière MEMS RF. Cette technologie apporte de nombreux avantages tant en consommation qu’en performances et notre objectif de thèse est d’utiliser cette filière pour réaliser un circuit reconfigurable à deux fréquences d’utilisation. La réalisation d’un tel circuit sous entend de développer une technique d’intégration entre la technologie Silicium et la filière MEMS RF afin de minimiser les pertes dues aux interconnexions. Pour cela nous proposerons une approche « post procédé » nommée « Above IC ».

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 (Figure I. 1) 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.

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.

Composants permettant d’introduire la fonction de reconfigurabilité 

Afin d’introduire la notion de reconfigurabilité et pouvoir définir de nouvelles architectures, de nombreux composants sont disponibles sur le marché. L’objectif de ces paragraphes est d’expliciter et d’évaluer ces différentes technologies. Nous présenterons en premier lieu des composants issus des filières microélectroniques classiques tels que des commutateurs FET ou bien des Diodes PIN et ensuite nous verrons les performances actuelles des composants MEMS RF en présentant quelques réalisations comme des commutateurs ou des varactors. Pour finir nous porterons quelques conclusions sur ces composants.

Les composants intégrés
Il existe de nombreuses publications présentant des commutateurs ou des capacités variables réalisés sur des filières technologiques classiques comme les technologies AsGa ou SiGe. Nous allons commencer notre étude par les commutateurs de signaux radiofréquences. Comme nous l’avons vu précédemment sur la figure 1.3, des commutateurs sont déjà utilisés dans les chaînes de réception RF et sont en charge de commuter le signal RF entre la chaîne de réception et celle de transmission (d’où leur dénomination Switch Tx/Rx). La première famille de commutateurs RF est constituée par les diodes PIN [6]..[8]. Ces composants sont très souvent utilisés dans les systèmes RF et peuvent couvrir des plages fréquentielles allant des fréquences HF aux fréquences millimétriques. Leurs bonnes performances leur ont permis d’être utilisés autant dans les applications à faible consommation que dans les applications fortes puissances telles que les applications militaires. La Figure I. 4 présente deux configurations de commutateurs à base de diodes PIN [9], une configuration série et une configuration parallèle. Dans le cas du commutateur série, la diode PIN présente une faible impédance lorsqu’elle est polarisée et permet ainsi le passage du signal RF sans perturbation. Lorsque la diode n’est pas polarisée ou polarisée en inverse, elle présente une forte impédance causant la réflexion du signal RF. En ce qui concerne le commutateur parallèle, le fonctionnement est l’inverse du fonctionnement série: lorsque la diode est polarisée, elle présente une faible impédance et le signal est alors réfléchi, tandis que lorsqu’elle est non polarisée ou polarisée négativement, le signal RF peut passer.

De nos jours, de nombreux travaux ont permis de réaliser des diodes PIN sur divers substrats tels que les substrats SiGe [10] ou GaAs [11], ce qui rend leur intégration aisée dans les circuits intégrés. Concernant les performances, les diodes PIN présentent en général des pertes d’insertion de l’ordre de 0,4 à 0,6 dB, une isolation inférieure à -20dB pour des fréquences inférieures à 2 GHz et des temps de commutation très courts de l’ordre de la dizaine de nanosecondes. La surface occupée par un commutateur à base de diode PIN est inférieure à 1mm². Le principal inconvénient des diodes PIN est leur forte consommation avec un courant consommé de l’ordre du mA.

Il est évident que ces performances ne feront qu’évoluer et des études actuelles montrent la possibilité de faire des diodes à hétérojonction de type AlGaAs/GaAs [12] qui présentent des pertes d’insertion inférieur à 0,3 dB. De manière similaire aux diodes PIN, les commutateurs à base de FET [13]..[16](Field Effect Transistor) sont disponibles commercialement pour diverses applications sans fil et donc diverses plages de fréquences allant jusqu’aux fréquences millimétriques. Généralement conçus sur substrat AsGa, les commutateurs FET sont utilisés dans des applications nécessitant un grand degré d’intégration de type commutateur « Single Pole N Throw» (SPNT avec N égal à 2, 4, 6 ou 8) comme des décodeurs ou des drivers logiques [9]. Les FET comme les diodes PIN sont également utilisés dans les systèmes RF nécessitant des commutateurs de signaux RF et leur performances sont assez similaires. En effet ils présentent une isolation de l’ordre de 22 dB à 2 GHz et des pertes d’insertion inférieures à 1dB pour des fréquences inférieures à 3 GHz. Les avantages de ces commutateurs sont surtout un temps de commutation plus faible, de l’ordre de la nanoseconde et une consommation en courant très inférieur aux commutateurs à diode PIN avec un courant consommé de l’ordre du µA.

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 »
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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