Brevet FR2515897A1 — publié le 19830506

L'invention concerne d'une manière générale les circuits amplificateurs radiofréquence,,et plus par- ticulièrement des amplificateurs radiofréquence utilisant deux transistors qui assument la fonction d'un transistor unique ayant un gain accru. L'utilisation de transistors à effet de champ à l'arséniure de gallium dans des circuits amplificateurs radiofréquence est connue, et ces dispositifs sont parti- culièrement utiles dans des applications utilisant des amplificateurs de micro-ondes Cependant, les circuits amplificateurs antérieurs sont relativement complexes et leur gain maximal est limité par les caractéristiques du transistor à l'arséniure de gallium monté dans le circuit. Le transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium comprend généralement un substrat isolant en arséniure de gallium non dopé et une couche superficielle mince ou couche épitaxiale en arséniure de gallium dopé Des con- tacts ohmiques espacés sont formés sur la surface de la couche, au-dessus des régions de source et de drain du dis- positif, et un contact de Schottky est réalisé sur la surface de la couche, entre les contacts ohmiques et assume la fonction de grille de commande du transistor à effet de champ. L'invention a pour objet un amplificateur radio- fréquence perfectionné L'invention a pour autre objet un amplificateur radiofréquence dont le gain d'amplification est augmenté. Une caractéristique de l'invention réside dans l'utilisation de deux transistors à effet de champ qui assument la fonction d'un dispositif unique. Brièvement décrit, un amplificateur radiofré- quence monolithique selon l'invention comprend un corps en matière semiconductrice, par exemple en un capposé des Groupes III- V Un premier transistor à effet de champ, ayant des con- tacts de source, de grille et de drain, et un second tran- sistor à effet de champ, ayant des contacts de source, de grille et de drain, sont formés dans le corps monolithique. Des moyens sont prévus pour appliquer un signal d'entrée entre les contacts de grille et de source du premier tran- sistor à effet de champ, et des moyens sont prévus pour recevoir un signal de sortie entre les contacts de drain et de source du second transistor à effet de champ. Un réseau passif radiofréquence interconnecte le premier transistor à effet de champ au second, le réseau passif radiofréquence comprenant des première et deuxième lignes de transmission montées en série et connectées entre le drain du premier transistor à effet de champ et la grille du second transistor à effet de champ, et une troisième ligne de transmission interconnectée entre une borne commune des première et deuxième lignes de transmission et un poten- tiel de masse du circuit. Dans une forme préférée de réalisation, les moyens de couplage comprennent en outre une première résis- tance et un premier condensateur connectant en parallèle la source du premier transistor à effet de champ à un pre- mier potentiel, un deuxième condensateur connectant la source du deuxième transistor à effet de champ au premier potentiel, et un troisième condensateur et une diode de Zener connectant en parallèle la troisième ligne de transmission au premier potentiel Une deuxième résistance interconnecte le troisième condensateur au deuxième condensateur et à la diode de Zener. Dans une autre forme de réalisation, l'inter- connexion du réseau passif comprend en outre des moyens par lesquels tous les potentiels de travail proviennent d'un seul potentiel appliqué Une première résistance et un premier condensateur sont montés en parallèle entre la source du premier transistor à effet de champ et la masse du circuit Un deuxième condensateur et une diode de Zener sont montés en parallèle entre la troisième ligne de trans- mission et la masse du circuit Un troisième condensateur est monté entre la source du second transistor à effet de champ et la masse du circuit Une deuxième-résistance in- terconnecte le troisième condensateur au deuxième conden- sateur et à la diode de Zener Un potentiel unique est appliqué entre le drain du deuxième transistor à effet de champ et la masse du circuit. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est un schéma du circuit électrique d'un amplificateur radiofréquence conforme à une première forme de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective du cir- cuit de la figure 1 sous une forme monolithique intégrée; la figure 3 est un graphique donnant le gain en fonction de la fréquence de travail de la forme de réa- lisation de la figure 2; et la figure 4 est un schéma du circuit électrique d'une autre forme de réalisation de l'invention. Si l'on se réfère à présent aux dessins, on voit sur la figure 1 un schéma du circuit électrique d'une pre- mière forme de réalisation de l'amplificateur radiofréquence selon l'invention L'amplificateur comporte un premier transistor 10 à effet de champ, un second transistor 12 à effet de champ et un dispositif d'interconnexion et d'adaptation radiofréquence, indiqué globalement en 10, qui interconnecte électriquement le transistor 10 et le transistor 12. Une borne d'entrée 16 est reliée au moyen d'un ruban 18 à la grille du transistor 10, et la source du transistor 10 est connectée à une masse de signal (radio- fréquence) Un contact 20 à potentiel correspondant à une tension continue est relié par l'intermédiaire d'une bobine 22 au drain du transistor 12 et à la borne 24 de sortie de l'amplificateur -La source du transistor 12 est connec- tée à la masse du signal (radiofréquence). Le dispositif 14 de couplage radiofréquence comprend une première ligne 26 de transmission et une deuxième ligne 28 de transmission qui sont montées en série entre le drain du transistor 10 et la grille du tran- sistor 12 Une troisième ligne 30 de transmission est reliée à une borne commune des lignes 26 et 28 de transmission montées en série et de la masse du signal (radiofréquence). -4 Dans une forme de réalisation monolithique du circuit, décrite ciaprès en regard de la figure 2, les lignes de transmission comprennent des microrubans, la longueur et l'impédance des lignes de transmission étant déterminées d'après la fréquence de travail de l'amplifi- cateur. La figure 2 est une vue en perspective de l'amplificateur radiofréquence de la figure 1 dans une forme de réalisation monolithique intégrée Etant donné la grande mobilité des porteurs offerte par une matière composée d'éléments des Groupes III-V,, le circuit est de préférence constitué d'un substrat d'arséniure de gallium ou autre pour des applications à des micro-ondes Dans cette forme de réalisation, le premier transistor 10 est formé dans une première extrémité d'un substrat 40 en arséniure de gallium et le second transistor 12 est formé dans l'extrémité opposée du substrat Les transistors ont une structure classique dans laquelle les régions de source et de drain sont formées dans une couche épitaxiale qui est dopée à l'aide d'un dope convenable tel que de l'étain (dans le cas de l'arséniure de gallium), pour établir une certaine épaisseur de matière de type N Le contact 41 de source et le contact 43 de drain sont constitués d'une matière de contact ohmique, telle qu'un alliage or-germanium- nickel, et le contact de grille est une barrière Schottky constituée par une métallisation 42 d'aluminium De façon similaire, le transistor 12 comporte un contact ohmique 44 de source, un contact 45 constitué d'une barrière Schottky, et un contact ohmique 46 de drain. Le dispositif de couplage radiofréquence com- prend un microruban constitué d'une plaque métallique 50 appliquée sur la surface inférieure du substrat d'arséniure de gallium, et des réseaux conducteurs 26, 28 et 30 placés sur la surface supérieure Pour une application aux ultra- hautes fréquences (c'est-à-dire 7-13 G Hz), la ligne 26 de transmission présente une impédance de 90 ohms et une lon- gueur de 1,092 mm; la ligne 28 de transmission présente une imp 4 dance de 90 ohms et une longueur de 0,483 mm; et oc la ligne 30 de transmission présente une impédance de ohms et une longueur de 0,940 mm La ligne 28 de trans- mission est connectée aux contacts 45 de grille du transis- tor 12 par des ponts métalliques conducteurs 52 qui sont en contact physique avec le corps d'arséniure de gallium uniquement aux points de contact de la ligne 28 de trans- mission et des contacts 45 de grille. La figure 3 est un graphique donnant le gain en fonction de la fréquence de travail du dispositif repré- senté sur la figure 2 Les courbes en trait pointillé 60 et 62 représentent le gain d'un circuit amplificateur équivalent en arséniure de gallium ayant un seul transi 5- tor à effet de champ, et les courbes en trait plein 61 et 63 représentent le gain de l'amplificateur de la figure 2. Com me indiqué, le gain du circuit de la figure 2 est supé- rieur d'environ 6 d B à celui d'un circuit amplificateur à un seul transistor. La figure 4 est un schéma du circuit électrique de la figure 1 et elle représente en outre un circuit de polarisation fournissant à la fois les masses de radio- fréquence et de courant continu, conformément à une autre forme de réalisation de l'invention Dans cette forme de réalisation, la source du transistor 10 est connectée à la masse du circuit par l'intermédiaire d'un condensateur 70 et d'une résistance 71 montés en parallèle, et la grille du transistor 10 est connectée à la masse du circuit par l'intermédiaire d'une bobine 75 Une ligne 30 de trans- mission est reliée par l'intermédiaire d'un condensateur 72 à la masse du circuit, une diode 73 de Zener shuntant le condensateur 72 pour limiter la tension maximale pou- vant être appliquée à ses bornes La source du transistor 12 est reliée à la masse par un condensateur 74, et une résistance 75 relie le condensateur 74 au condensateur 72 et à la diode 73 de Zener Un contact 20 à potentiel con- tinu est relié par une bobine 22 au drain du transistor 12 Ce point unique 20 de contact à courant continu fournit la polarisation en courant continu des deux transistors 12 et 10 par l'intermédiaire du réseau de la figure 4. L'amplificateur radiofréquence selon l'invention a été reconnu de l'industrie, comme indiqué dans le numéro de Juillet 1981 de la revue "MICROWAVES magazine" Le cir- cuit présente un gain accru et il s'est avéré stable en fonctionnement L'amplificateur peut être aisément fabri- qué à l'aide de la technologie classique des semiconduc- teurs et le circuit peut être aisément adapté aux fréquences de travail souhaitées Il fonctionne d'une manière analogue à celle d'un amplificateur à transistor à effet de champ unique à arséniure de gallium et source commune, mais le gain est augmenté et l'isolation en polarisation inverse est améliorée. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'amplificateur décrit et repré- senté sans sortir du cadre de l'invention. ) REVENDICATIONS 1 Amplificateur radiofréquence, caractérisé en ce qu'il comporte un premier transistor ( 10) à effet de champ ayant des contacts de source, de drain et de grille, un second transistor ( 12) à effet de champ ayant des contacts de source, de drain et de grille, un élément ( 18) destiné à appliquer un signal d'entrée au contact de grille du premier transistor à effet de champ, un élé- ment destiné à relier la source du premier transistor à effet de champ à un premier potentiel, un élément destiné à relier le contact de source du second transistor à effet de champ à un second potentiel, un élément ( 22) connectant le contact de drain du second transistor à effet de champ à un troisième potentiel ( 20), et un dispositif ( 14) de couplage destiné à relier le premier transistor à effet de champ au second transistor à effet de champ, ce dispo- sitif de couplage comprenant des première et deuxième lignes ( 26, 28) de transmission montées en série et con- nectées entre le contact de drain du premier transistor à effet de champ et le contact de grille du second tran- sistor à effet de champ, et une troisième ligne ( 30) de transmission interconnectée à une borne commune aux pre- mière et deuxième lignes de transmission et à un quatrième potentiel, l'amplificateur comportant également un élément ( 24) destiné à extraire un signal de sortie du contact de drain du second transistor à effet de champ. 2 Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième potentiel et le quatrième potentiel sont identiques au premier potentiel. 3 Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second transistors à effet de champ sont formés dans un corps semiconducteur monolithique ( 40), les première, deuxième et troisième lignes de transmission étant constituées de microrubans. 4 Amplificateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le corps semiconducteur est constitué d'une matière semiconductrice composée d'éléments des Groupes III-V, et en ce que les microrubans sont constitués d'une plaque ( 50) de masse située sur une première surface du corps, la surface opposée du corps présentant un réseau de conducteurs ( 26, 28, 30). Amplificateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matière semiconductrice constituée d'un composé d'éléments des Groupes III-V est de l'arséniure de gallium. 6 Amplificateur selon l'une des revendications 2 et 5, caractérisé en ce que le dispositif de couplage comprend en outre une première résistance ( 71) et un pre- mier condensateur ( 70) connectant en parallèle ladite source du premier transistor à effet de champ audit pre- mier potentiel, un deuxième condensateur ( 74) connectant ladite source du second transistor à effet de champ au premier potentiel, un troisième condensateur ( 72) et une diode ( 73) de Zener connectant en parallèle la troisième ligne de transmission au premier potentiel, et une seconde résistance ( 75) interconnectant le troisième condensateur au deuxième condensateur ( 74) et à la diode de Zener. 7 Amplificateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier potentiel est la masse du circuit.