Brevet FR2077661A1 — publié le 19711105

La présente invention concerne des perfectionnements aux amplificateurs réalisés sous forme de microcircuits intégrés hybrides. Les microcircuits intégrés hybride, remarquables par lettrs très petites dimensions, sont constitues par une plaquette support 5 sur laquelle sont rapportés dos composants électroniques passifs tels que des inductances et des condensateurs, et des composants semiconducteurs. Dans ces microcircuits, les composants semiconducteurs sont montés sous forme de pastilles nues, forme sous laquelle l'absence 10 de boîtier les rend exempts de la capacité en dérivation et de l'inductance série que constituent le boîtier et les fils de connexion intérieurs au boîtier. Pour cette raison, les amplificateurs à diode tunnel et les amplificateurs à transistor réalisés de façon connue sous forme 15 de microcircuits hybrides ont normalement une bande passante plus large que ceux qui sont réalisés avec àes composants classiques. Toutefois, malgré cette amélioration il peut arriver que la largeur de bande ne soit pas suffisante. Les amplificateurs suivant l'invention permettent d'obtenir 20 un produit gain-bande passante aussi élevé que possible, car ils utilisent un circuit à constantes localisées ayant la structure d'un filtre passe-bande. L'amplificateur objet de l'invention, réalisé sous forme de microcircuit hybride, comprend,rapportés sur une plaquette dié-25 lactrique, un dispositif semiconducteur du type des diodes tunnel ou des transistors "planar", ainsi que des condensateurs miniature. Cet amplificateur est caractérisé en ce qu'une région de jonction du dispositif semiconducteur est reliée simultanément à une première capacité destinée à être mise en série avec un circuit 30 ext érieur, et à une capacité de découplage, la liaison entre ladite région de jonction et les capacités étant effectuée au moyen de conducteurs constituant en constantes localisées des éléments solfiqu^s qui, avec la première capacité et avec la capacité de la jonction, sont les éléments d'un filtre de type 35 po.sse-bande. Les dimensions (diamètre,ou largeur et épaisseur, ainsi que longueur) de ces conducteurs peuvent être choisies telles que la fréquence centrale au filtre corresponde à la fréquence du BAD ORIGINAL 70 03737 - 2 - 2077661 signal appliqué à l'entrée de l'amplificateur en provenance du circuit extérieur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, et illustrée 5 . par les figures jointes en annexe qui représentent : - figure 1,une vue en perspective d'un amplificateur à diode tunnel réalisé conformément à l'invention ; - figures 2 et 3»des schémas équivalents à l'amplificateur de la figure 1 ; 10 - figure 4,des courbes caractéristiques relatives à un amplificateur suivant la figure 1 et à un amplificateur de type connu ; - figure 5,une variante de réalisation de 1'amplificateur suivant la figure 1 ; - figure 6",une vue en plan d'un amplificateur à transistor réalisé 1 5'conformément à 1'invention ; - figure 7fune coupo suivant la ligne A-A de la figure 6 ; - figure 8, une coupe suivant la ligne B-B de la figure 6 ; - figure y,un schéma équivalent à l'amplificateur de la figure 6. Suivant une première forme d'exécution illustrée par la 20 figure 1,1'invention se rapporte à un amplificateur à diode tunnel réalisé sous forme de microcircuit intégré hybride. L'amplificateur comprend une plaquette support 2 en matière isolante (céramique, verre, quartz, etc...) traversée par une ouverture dans laquelle est logé un plot métallique 1 en cuivre doré ou en 25 "Kovar" doré ; à sa partie- inférieure, le plot 1 comporte une bordure par laquelle le plot est soudé sur une couche métallisée 3 recouvrant la face inférieure de la plaquette 2. Une diode D et une capacité Cl sont fixées sur le plot métallique 1 de façon à être espacées l'une de l'autre dans le sens longitudinal de la 30 plaquette. La diode D est prise sous forme de pastille nue, non protégée par un boîtier. La capacité Cl, par exemple de type céramique ou de type K03 (métal-oxyde-semiconducteur), a pratiquement les mêmes dimensions que la diode. La hauteur du plot métallique î est choisie de telle façon que la diode et la capa-35 cité soient au niveau de la face supérieure de la plaquette support 2. Sur cette face, est métallisée une bande longitudinale interrompue par le trou de passage du. plot métallique, donc formée de BAD ORIGINAL 70 03737 - 3 - 2077661 deux portions, l'une 4 située du côté de la capacité Cl, l'autre 5 située du côté de la diode D. Un condensateur miniature C2 est soudé à l'extrémité de la bandw métallisée 5. Un conducteur 1, bien droit, en forme de fil ou do ruban, relie électriquement la 5 portion do bande 4, la capacité Cl, la diode D et le dessus du condensateur C2. Sur la figure 1, on a désigné par 11 et L2 les portions du conducteur L reliant la capacité C1 à la diode 2) d'une part, la diode D à la portion de bande 5 d'autre part. Un fil de connexion P, fixé sur la portion de bande 4-, est destiné à permet-1C tre l'application d'un potontiel de polarisation. La figure 2 donne le schéma du montage éq rivaient à 11amplificateur de la figure 1, et le figure 3 est le schéma d'un® forme simplifiée du montage équivalent. Sur ses schémas, la diode tunnel est représentée sous la forme d'une capacité Co shuntée par une 15 résistance négative Ro. La capacité Co est la capacité de la jonction de la diode. La résistance Ko est la résistance dynamique que présente la diode tunnel lorsqu'un signal de hnute fréquence arrivant par les bornes A1 et i-.2 est appliqué entre les électrodes de cette diode et que, en xuênie te&pe, le potentiel du fil 20 p polarise cette diode dans le sens direct e;- un point où la caractéristique de la diodo présente une pente négative aussi grande que possible, mais avec suffisamment de stabilité pour qu'il ne s'ensuive pas d'.oscillation. Le signal amplifié de sortie emprunte les i-êmes bornes A1, A2 que le signal d'entrée. On 25 peut utiliser un circulâtour non représenté pour discriminer les deux signaux extérieurement à l'amplificateur, iïn général, un transformateur d'impédance quart d'onde (non représenté) est placé entre le circolateur et l'entrée du microcircuit, afin de régler le gain de l'amplificateur. 50 On voit que la diode D est branchée entre la borne L2 et le point de jonction des portions le conducteur L2, Lt. La portion de conducteur 12 est.reliée à la bor&e &\ par-l'intermédiaire du eoudeneatoar 02, tandis que la pertien à© ««nducteur 11 est reliée à la borne A2 par 1'intermédiaire de la capacité C1» 35 Le schéma de la figure 3 est équivalent au schéma de la figure 2 pour ce qui concerne la haute fréquence, car la capacité C1 que l'on s'yst abstenu de représenter a une impédance négli- bad original 70 03737 - 4 - 2077661 geable en haute fréquence. Par contre, les conducteurs sont des éléments selfiques et ils sont représentés sous la forme d'inductances désignées par les mêmes indices de référence L1, 12. En résultat, la configuration du schéma est celle d'un filtre 5 passe-bande. Conformément à l'invention, les dimensions des conducteurs 11, 12 (leur longueur de même que leur largeur ou épaisseur s'il s'agit.de rubans, leur diamètre s'il s'agit de fils) sont choisies de telle façon que,-à la fréquence centrale de fonctionnement, 10 l'accord de l'amplificateur soit basé sur la capacité Co, c'est-à-dire directement sur la capacité de jonction. Pour cela, en tenant compte du fait que les inductances 11, 12 sont des tronçons de ligne d'impédance 2c élevée et de longueur 11 et 12 faible par rapport à la longueur d'onde de fonctionnement, 1 5 et ont respectivement pour valeur 11 =Zc. 11/c et 12= Zc. 12/c (c = vitesse de la lumière) on calcule les éléments 11, 12 et C2 du filtre à partir des valeurs mesurées Ro, Co de la diode selon la théorie des filtres actifs. la figure 4 représente doux courbes du gain À dB en fonction 20 de la fréquence F GHz : la courbe A se rapporte à un amplificateur de type connu utilisant une diode tunnel en boîtier, tandis que la courbe B se rapporte à un amplificateur suivant l'invention réalisé sous forme de microcircuit hybride. Dans l'amplificateur de type connu, la bande passante est 25 fortement limitée car le boîtier de la diode introduit une self série et une capacité shunt qui forment, avec la capacité de - jonction, une cellule de filtre du type i>asse-bas« Dans l'amplificateur suivant l'invention, l'accroissement de la largeur de bande est due en partie à 1'"utilisation d'une 30 diode tunnel prise sous forme de pastille semiconductrice nue, en partie à la structure de filtre passe-bande que l'on a donnée à l'amplificateur, en partie au fait que les conducteurs de liaison 11, 12, se comportent comme des éléments selfiques à . constantes localisées. De tels éléments sont favorables à un 35 accroissement de la largeur de bande, car il emmagasinent une énergie moins grande que les lignes de transmission, éléments à constantes réparties, que l'on utilise habituellement. De plus, BAD ORIGINAL 70 03737 - 5 - 2077661 ils sont moins encombrants. Cn obtient ainsi un amplificataur à diode tunnel dont le produit gain-l-\rgsur de bande est aussi grand que possible. De plus, le faible encombrement des éléments selfiques ainsi 5 que le fait que les condensateurs C1 et C2 sont de memes dimensions que la diode D, permettant de donner à tous les composants des dimensions suffisamment petites pour que l'amplificateur puisse être monte en totalité sur une plaquette support de microcircuit intégré hybride. 10 Des variantes de réalisation sont possibles. Sur la. figure 5, le condensateur d'entrée 02 est réalisé en couches minces. Dans la variante illustrée par la figure 5, le condensateur de découplage C1 est disposé en dehors du plot métallique 1, en bout du la portion de bande métallisée 4 ; une de ses armatures 15 est constituée par une métallisation de la face supérieure de la plaquette support 1, son autre armature est constituée par le plan de masse 3 et son diélectrique est formé par le matériau de la plaquette support, le plot métallique 1 supporte uniquement la diode D. La diode D est reliée aux bandes métallisées 4 et 5 au 20 moyen d'un fil très fin F gravé sur l'alumine. Un tel fil très fin, qui n'aurait pas été capable de se supporter par lui-môae,permet de donner des valeurs relativement grandes aux inductances L1 et L2. La gravure peut même être faite en spirale.- si l'on désire que les inductances soient encore plus fortes. 25 La variante de la figure 5 est surtout utile pour les fréquences basses, par exemple pour des longueurs d'onde décimé-triquus. toutefois pour ces fréquences, il peut être- avantageux de remplacer la diode tunnel, par un transistor faible bruit. Les figures 6, 7 et 8 illustrent un amplificateur à transis-30 tor, autre forme de réalisation de l'invention. Les indices de référence qui ont déjà été utilisées sur la figure 1 désigneront des éléments remplissant des fonctions analogues. Le transistor T est du type "planar" ; il est isolé du plot métallique par une pastille E en matière diélectrique de faible 35 résistance therraiq\ie comme l'oxyde de béryllium. La pastille K est assez épaisse, car on ne désire pas qu'elle joue un rôle capacitif. Le plot 1 est de préférence en cuivre, car il doit BAD ORIGNAL 70 03737 - 6 - 2077661 être capable de dissiper de la chaleur. Le transistor ï est, à titre d'exemple, représenté comme étant dans le montage à hase commune, montage qui est très utilisé . dans les amplificateurs de puissance. 5 L'électrode de "base du transistor T est connectée par plusieursfils 6 à une excroissance 7 du plot métallique 1. Ainsi, la hase est reliée à la masse par des fils aussi courts que possible. L'émetteur est relié, d'une part, au condensateur d'entrée 02 par le conducteur L2, et, d'autre pe„rt, au condensa-10 teur de découplage par le conducteur L1, conducteur qui se prolonge au-delà du condensateur pour se raccorder à la bande métallisée 4» Le condensateur C1 est de type LOS ou céramique et il est monté sur le plot métallique 1, comme dans le cas de la figure 1 . Toutefois, pour des raisons inhérentes à la structure d'un transis-15 tor planar, les bandes métallisées 4 et 5, et par suite les condensateurs C1 , 02, ne sont plus alignés, mais disposés à 90°. Le collecteur du transistor ï est relié par uh fil 8 à une bande métallisée S1. Dans l'utilisation de cet amplificateur le signal d'entrée 20 arrive par la bande métallisée 5. La polarisation s'applique sur la bande métallisée 4. Le signal do sortie se prélève entre la bande métallisée S1 et la masse 3. La figure 9 donne le schéma du montage équivalent à 1'amplificateur à transistor des figures 6, 7 et 8. Sur ce schéma, on 25 reconnaît le même arrangement du type des filtres passe-bande que l'on avait vu sur le schéma de la figure 3,relativement à -l'amplificateur à diode tunnel de la figure 1. Comme précédemment, les inductances L1, L2 de cet arrangement sont des éléments selfiques à constantes localisées constitués par les conducteurs ayant les 30 mêmes indices de référence. Comme précédemment, les dimensions de ces conducteurs sont choisies de telle façon que, à la fréquence centrale de fonctionnement, l'accord soit réalisé sur la capacité de jonction, et cela permet d'obtenir un amplificateur à transistor dont le produit gain-largeur de baiide est aussi élevé que 35 possible. Dans le montage à base commune des figures 6, 7, 8, l'accord se fait sur la jonction d'entrée (jonction émetteur-base). L'accord BAD ORIGINAL 70 03737 2077661 en constantes localisées, réalisé simplement grâce aux conducteurs de liaison 11 , 12 présente -.lors un avantage extrêmement grand pour eu qui concerne la largeur de bande, car la jonction d'entrée est à très basse impédance, surtout dans le cas de transistors do puinsance élevée. Il est possible d'améliorer encore les qualités de 1'amplificateur en prévoyant accessoirement une disposition analogue sur la jonction de sortie (jonction base-collecteur). Pour cela, au lieu de réunir le collecteur du transistor T à la sortie S1 au moyen d'un simple fil 8 comme sur la figure 8, il suffit de prévoir deux condensateurs supplémentaires non représentés, l'un fixé sur la sortie S1 , l'autre sur le plot métallique 1, et sous deux, réunis au collecteur au moyen do fils ayant des dimensions choisies. Des dispositions analogues sont également réalisables avec un transistor utilisé dans le montage en émetteur coEinrun ou dans le montage on collecteur commun. Il est connu que, à très haute fréquence, ce dernier montage ne donne satisfaction que pour des oscillateurs, mais son utilisation peut néanmoins être envisagée en tenant compte da fait que, dans ce montage, le transistor "planar" peut être soudé dir. ctement sur la masse. Dans le bas de la garnie des micros-ondes, et pour les amplificateurs de bas niveau, le.', inductances requises peuvent atteindre une valeur telle que, constituées par. un fil, le fil serait trop long et n„ résisterait pas aux vibrations. Dans ce cas, il est rscommandable de graver les inductances sur un substrat diélectrique, d'une manière analogue à .ce qui à été décrit relativement à la variante illustrée par la figure 5, ou en forme de spirale. La possibilité d'utiliser au choiîc des condensateurs7 en couches minces ou des condensateurs de mêmes dimensions que les diodes, sirnalée précédemment dans le cas de l'amplificateur à diode tunnel, existe également dans la cas de l'amplificateur à transistor. Les amplificateurs suivant l'invention peuvent être logés dans les boîtiers etanches munie de prises coaxiales ou microco— axiales. Ils peuvenc également comprendre dos broches ou d'autres bad original t 70 03737 - 8 - 2077661 moyens permettant de les raccorder à des lignes de transmission du type "microtrip" ou "triplaque.", ou de les raccorder à un circuit imprimé * Plusieurs amplificateurs peuvent être réalisés sur une même plaquette. Les diverses métallisations et soudures nécessaires à la fabrication de ces amplificateurs sont réalisées suivant des techniques courantes dans la fabrication des dispositifs électroniques. Oes amplificateurs trouvent notamment des applications dans l'équipement des faisceaux hertziens, des radars portables, des radars à balayage électronique. BAD ORIGINAL, 70 03737 - 9 - 2077661 KBVEKDIOATIOKS 1) Amplificateur sous forme de microcircuit intégré hybride, comprenant not'-iument, rapportés sur une plaquette diélectrique, an dispositif semiconducteur du typa des diodes tunnel ou des transistors "planar", ainsi que des condensateurs miniatures, caractérisa en ce qu'une région de jonction du dispositif semiconducteur est reliée simultanément à une première capacité destinée à 3tro mise en série avec un circuit extérieur, et a une capacité de découplage, la liaison entre ladite région de type opposé et les capacités citant effectuées au moyen de conducteurs constituant en constantes localisées des éléments selfiques nui, avec la première capacité et avec la capacité de jonction, sont des éléments d'un filtre de type passe-bande. 2. Amplificateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les dimensions (diamètre, ou largeur et épaisseur, ainsi que longueur) sont choisies telles que la fréquence centrale du filtre corresponde à la fréquence du signal appliqué à l'entrée de l'amplificateur en provenance du circuit extérieur. 3» Amplificateur suivait la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif semiconducteur est utilisé sous fome de pastille nue est fixé sur va- plot métallique logé dans une ouverture de la plaquette diélectrique, ce plot ayant une extrémité en contact avec une face métallisée de la plaquette, avec une hauteur telle que le dispositif semiconducteur soit de niveau avec la face de la .jlacuette opposée à celle qui est métallisée. . Amplificateur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le condensateur de découplage a des dimensions approximativement claies i. celles du dispositif semiconducteur et est également fir6 sur ledit plot métallique. 5. Amplificateur suivant une des revendications 1, ou 2 , caractérisé en ce que le condensateur de découplage utilise le matériau de la plaquette support comme diélectrique, une de ses armatures écart constituée par une région métallisée de ladite face opposée de la plaquette• 6. Amplificateur suivant une des revend'cations 1, ou 2 ou 3 caractérisé en ce que les conducteurs faisant partie des cléments BAD OF ~'NAL 70 03737 - 10 - 2077661 selfiques de liaison sont au moins partiellement constitués par des conducteurs filiformes imprimés sur la plaquette diélectrique. 7. Amplificateur suivant la revendication 3 dans lequel le dispositif semiconducteur est un transistor planar utilisé en 5 montage base commune, caractérisé en ce que le plot métallique comporte une excroissance à laquelle l'électrode de base du transistor est reliée par plusieurs fils relativement courts, et en ce que, entre le. transistor et le plot métallique, est interposée, une pastille relativement épaisse en matière isolante de 10 l'électricité, mais capable de transmettre la chaleur. 8. Amplificateur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la jonction reliée à un condensateur d'entrée et à un condensateur de découplage est la jonction énietteur-ba.se. BAD ORIGINAL