Brevet FR2547136A1 — publié le 19841207

-1 CIRCUIT DE STABILISATION DE LA FREQUENCE D'UN OSCILLATEUR LIBRE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE L'invention concerne un circuit de stabilisation de la fréquence, en fonction de la température, d'un oscillateur libre, destiné à fournir un signal de sortie en hyperfréquences, et dont les composants sont, à cet effet, intégrés sur un substrat en ar05 séniure de gallium, cet oscillateur comprenant un transistor à effet de champ (TEC) oscillant, sur la grille duquel sont appliqués conjointement le signal d'entrée, et le signal de commande du circuit d'ajustage de la fréquence de l'oscillateur, circuit d'ajustage constitué de deux selfs reliées, d'une part, à la grille du transistor oscillant, et d'autre part, à l'alimentation continue en ce qui concerne la première self et à la masse en ce qui concerne la seconde self. Ce dispositif trouve son application dans le traitement des signaux de télévision transmis par satellites artificiels à la 15 fréquence de 12 G Hz, et pour lequel il est impératif que la fréquence fournie par l'oscillateur soit stabilisée en fonction de la température. De plus, dans le cadre de ce projet de télévision relayée par satellite, les différents éléments de traitement du si20 gnal, pour être réalisés en grande série, doivent être d'une fabrication aisée et d'un coût réduit Ceci, ajouté au fait que la fréquence utilisée est élevée entraîne la nécessité de rendre ces circuits intégrables sur l'arséniure de gallium, matériau présentant une grande mobilité électronique et se prêtant de ce fait le mieux 25 actuellement aux applications hyperfréquences. Il est connu de l'art antérieur de compenser les dérives de la fréquence d'un oscillateur, en fonction de la température en faisant suivre l'oscillateur proprement dit d'un condensateur de capacité variable, la commande de ce condensateur s'effectuant au 30 moyen d'une tension variable en fonction de la température La variation de cette tension de commande est obtenue en utilisant des 2547 1 36 -2 thermistances Mais, ces dernières sont d'un usage délicat, ne présentent pas un fonctionnement linéaire et ne sont en tout état de cause pas intégrables sur un substrat en arséniure de gallium. La compensation des dérives de circuits en fonction de 05 la température est décrite dans quatre demandes de brevet qui sont le brevet français n 73 25 837, le brevet anglais GB n 1 020 080, le brevet canadien n 943642 et le brevet des Etats-Unis n 4 333 062. Dans la demande de brevet français n 73 25 837, la com10 pensation des dérives en température de composants intégrés est obtenue d'une part par le moyen d'un composant intégré supplémentaire dont une caractéristique varie avec la température, par exemple la tension de seuil si on utilise une diode, ou bien le courant de drain si on utilise un transistor à effet de champ dont 15 la grille et la source sont court-circuitées, et d'autre part, par un moyen de détection capable de traduire ladite caractéristique sous forme d'une grandeur électrique Cette grandeur électrique est ensuite utilisée pour faire varier, par rapport à la masse, le potentiel du substrat de manière à compenser la variation du courant drain-source d'un transistor à effet de champ apparue du fait des variations de la dimension du canal de conduction avec la température Il n'est fait aucune mention, dans ce brevet, du comportement d'un tel dispositif en courant alternatif ou en hyperfréquence Ce dispositif ne peut donc apporter une solution au 25 problème posé dans le préambule. Dans la demande de brevet anglais n 1 020 080, il est décrit un dispositif pour compenser les dérives en fréquence dues au variations de la température dans un circuit électronique, dispositif qui comprend une capacité variable constituée par une diode 30 polarisée en inverse et aux bornes de laquelle on applique une tension variant en fonction de la température Selon ce brevet, la variation d'une telle capacité est obtenue par le moyen d'éléments variables en fonction de la température tels que des thermistances, dont on avait déjà éliminé l'emploi pour résoudre le problème posé 35 dans le préambule, du fait que les thermistances ne sont pas intégrables et pas linéaires. 2547 136 -3 Dans la demande de brevet canadien n 94 3642, il est décrit un dispositif comprenant des diodes et des résistances pour compenser l'effet de la variation du point de fonctionnement de transistors dans-un circuit Ce dispositif concerne un circuit com05 posé de transistors bipolaires et le réseau de compensation ne comprend que des diodes p-n, dans une application en courant continu. Ce dispositif ne saurait donc non plus apporter une solution au problème posé, o le circuit doit fonctionner en hyperfréquence et ne comporter que des diodes Schottky seules intégrables sur un 10 substrat en As Ga. Dans le dispositif décrit par le brevet US n 4 333 062, un oscillateur haute fréquence comprenant un transistor à effet de champ est stabilisé en température par le moyen de deux résonateurs microrubans présentant une capacité insérée au milieu des microru15 bans Ces capacités varient linéairement en fonction de la température L'un de ces résonateurs microruban opère comme un filtre de réfjection de bande et un Circuit de charge de l'oscillateur L'autre résonateur microruban opère comme un résonateur série entre une porte de l'oscillateur et la masse. Mais, ce dispositif, proposé pour les compensations températures à une fréquence de 2,2 G Hz, n'est absolument pas intégrable d'une façon monolithique car les capacités utilisées sont obligatoirement en diélectrique. En effet, le circuit proposé par le document cité est 25 réalisé en technologie dite "hybride" Et cette technologie n'est pas transposable purement et simplement en technologie de circuits intégrés sur arséniure de gallium, car ces deux technologies sont conçues à partir de théories différentes La technologie hybride fait appel à la théorie des lignes et comprend essentiellement des 30 lignes 1/4 ondes ou 1/2 ondes qui, à la fréquence de 12 G Hz atteignent facilement 25 mm Des éléments d'une telle dimension ne peuvent être incorporés dans un circuit intégré sur Ga As La technologie des circuits intégrés sur Ga As ne fait donc appel qu'à des éléments dits localisés, de quelques dizaines ou au plus quelques 35 centaines de/um Cependant, il serait éventuellement possible de réaliser des capacités intégrées sur un substrat en Ga As Mais ces capacités, du type "interdigité", ne présentent pas de variations linéaires en fonction de la température. 2547 136 -4 Or, nous rappelons que le problème posé est double. Premièrement réaliser la compensation en température de l'oscillateur à 12 G Hz et deuxièmement intégrer ce circuit de compensation sur le même substrat et avec la même technologie que ceux employés 05 pour réaliser l'oscillateur à savoir des TEC en arséniure de gallium à charge résistive ou des diodes Schottky. Selon la présente invention,le problème posé dans le préambule est résolu du fait que la compensation de la variation de fréquence en fonction de la température du TEC oscillant est ob10 tenue par la variation de capacité grille-canal d'un autre TEC, dit TEC de compensation, dont la grille est reliée à l'autre extrémité de la première self du circuit d'ajustage de fréquence du TEC oscillant à la place de l'alimentation continue, et dont les électrodes de source et drain court-circuitées sont soumises à une tension de commande variable en fonction de la température, cette tension de commande étant fixée d'une part par rapport à la masse au travers d'une première résistance, et d'autre part par rapport à l'alimentation continue au travers d'un ensemble de N TEC montés en diodes et en série, dont la première connexion drain-source est reliée au drain-source du TEC de compensation, et dont la dernière grille est connectée à une seconde résistance dont l'autre extrémité est reliée à l'alimentation continue, le nombre N des TEC étant choisi en fonction de la variation voulue pour la capacité grille-canal du TEC de compensation, variation qui est 25 obtenue du fait que, la tension de seuil des TEC diminuant linéairement en fonction de la température, l'ensemble des N TEC modifie le potentiel drain-source du TEC de compensation. Selon une variante de la présente invention, l'ensemble des N TEC est remplacé par un ensemble de N diodes Schottky, mon30 tées en série, la première cathode de ces diodes étant reliée avec la connexion drainsource du TEC de compensation et la première résistance d'une part, et la dernière anode de cet ensemble N diodes étant reliée à la seconde résistance d'autre part. Selon une seconde variante, le TEC de compensation est 35 également remplacé par une diode Schottky dont la cathode est 2547 1 36 -5 reliée à la première résistance et à la cathode de la première des N diodes ou à la connexion drain-source du premier TEC de l'ensemble des N TEC, et dont l'anode est reliée à la première self du circuit d'ajustage du TEC oscillant. Les particularités de l'invention et les modes de réalisation conformes à l'invention apparaissent de façon plus précise dans la description suivante en regard des figures annexées. La figure 1 montre le circuit de compensation réalisé à 10 l'aide de TEC et de résistances. La figure 2 montre le circuit de compensation réalisé à l'aide de diodes Schottky et de résistances. La figure 3 montre la courbe de variation de la tension de commande appliquée sur le TEC de compensation en fontion de la 15 température et du nombre N de TEC du circuit de commande. Le dispositif selon la figure 1 montre le transistor oscillant 20 dont la grille 72 est reliée d'une part à la première self L 1 et d'autre part à la seconde self L 2 dont l'autre extrémité est reliée à la masse 60 La grille 71 du TEC de compensa20 tion 10 est reliée à l'autre extrémité de la self L 1 tandis que le drain et la source du TEC 10 court-circuités et numérotés 40 sont reliés d'une part à une résistance R 1 dont l'autre extrémité est à la masse 60, et d'autre part à l'ensemble de 3 TEC, numérotés 21, 22 et 23 fonctionnant en diodes (drain et source courtcircui25 tés) montés en série (connexion drain-source reliée à la grille du suivant), la première connexion drain-source du TEC 21 étant reliée au point 40 et la dernière grille du TEC 23 étant reliée à l'extrémité 41 d'une résistance R 2 dont l'autre extrémité est reliée à l'alimentation continue 50. La capacité d'entrée du TEC 10 sert de capacité variable pour compenser la variation de phase du transistor oscillant 20 lorsque la température varie. La figure 2 montre le même circuit dans lequel des diodes Schottky remplacent les TEC. En hyperfréquence, il apparaît une capacité de grande 2547 136 -6 valeur C entre la liaison drain-source 40 du TEC 10 et la masse 60, et ceci seulement en hyperfréquences En courant continu, le TEC 10 est isolé La polarisation continue du canal du TEC 10 au point 40 est contr 6 lée par le réseau de TEC ou de diodes 21, 22, 23 05 de manière à faire varier cette capacité grille-canal d'une quantité voulue Les résistances R 1 et R 2 servent à fixer ce point de polarisation à une valeur de référence pour une température donnée. La tension de seuil des TEC ou des diodes 21, 22, 23 10 varie en fonction de la température en suivant une loi linéaire connue Elle diminue linéairement de 2 m V/ C pour un courant constant et par élément Schottky. Des mesures effectuées sur le dispositif présenté ici ont montré que la tension qu'il est nécessaire d'appliquer sur le 15 canal du transistor 10, entre -20 et 80 C, varie en augmentant linéairement de 6 m V/ C comme il est montré sur le graphique de la figure 3 en trait plein. Ce qui conduit à choisir le nombre N de TEC ou de diodes Schottky égal à 3 dans le réseau situé entre les points 40 et 41 20 des figures 1 ou 2. La tension appliquée au point 40, variant linéairement en fonction de la température, permet donc d'obtenir une variation linéaire de la capacité grille-canal du transistor 10, ce qui fournit une compensation em fréquence de l'oscillateur excellente, pour 25 une fréquence de 12 G Hz, à des températures comprises entre -20 et + 80 C. Il est à noter que les TEC Schottky ou les diodes Schottky sont parfaitement intégrables sur un substrat en As Ga, de même que les résistances qui sont réalisées par implantation d'une 30 couche résistive dans le substrat Enfin, les selfs L 1 et L 2 sont intégrables sous forme de lignes microrubans en forme de spirales. Il est manifeste que d'une part l'application de l'invention au traitement de signaux de télévision à 12 G Hz n'est pas 35 limitative et que d'autre part de nombreuses variantes sont possibles sans sortir du cadre de la présente invention, tel que défini par les revendications ci- après annexées. -7 REVENDICATIONS: 1 Circuit de stabilisation de la fréquence en fonction de la température, d'un oscillateur libre, destiné à fournir un signal de sortie en hyperfréquences, et dont les composants sont, à cet 05 effet, intégrés sur un substrat en arseniure de gallium, cet oscillateur comprenant un transistor à effet de champ (TEC) oscillant, sur la grille duquel sont appliqués conjointement le signal d'entrée, et le signal de commande du circuit d'ajustage de la fréquence de l'oscillateur, circuit d'ajustage constitué de deux 10 selfs reliées, d'une part, à la grille du transistor oscillant, et d'autre part, à l'alimentation continue en ce qui concerne la première self et à la masse en ce qui concerne la seconde self, caractérisé en ce que la compensation de la variation de fréquence en fonction de la température du TEC oscillant est obtenue par la 15 variation de capacité grille-canal d'un autre TEC, dit TEC de compensation dont la grille est reliée à l'autre extrémité de la première self du circuit d'ajustage de fréquence du TEC oscillant à la place de l'alimentation continue, et dont les électrodes de source et drain courtcircuitées sont soumises à une tension de 20 commande variable en fonction de la température, cette tension de commande étant fixée d'une part par rapport à la masse au travers d'une première résistance, et d'autre part par rapport à l'alimentation continue au travers d'un ensemble de N TEC montés en diodes et en série, dont la première connexion drain-source est 25 reliée au drain-source du TEC de compensation et dont la dernière grille est connectée à une seconde résistance dont l'autre extrémité est reliée à l'alimentation continue, le nombre N des TEC étant choisi en fonction de la variation voulue pour la capacité grille-canal du TEC de compensation, variation qui est obtenue du 30 fait que, la tension de seuil des TEC diminuant linéairement en fonction de la température, l'ensemble des N TEC modifie le potentiel drain-source du TEC de compensation. 2 Circuit selon la revendication 1, caracterise en ce que l'ensemble des N TEC est remplacé par un ensemble de N diodes 35 Schottky montées en série, la première cathode de ces diodes 2547 136 -8 étant reliée avec la connexion drain-source du TEC de compensation et la première résistance d'une part, et la dernière anode de cet ensemble N diodes étant reliée à la seconde résistance d'autre part. 3 Circuit selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le TEC de compensation est remplacé par une diode Schottky dont la cathode est reliée à la première résistance et à la cathode de la première des N diodes ou à la connexion drain-source du premier TEC de l'ensemble des N TEC, et dont l'anode est reliée à la première self du circuit d'ajustage du TEC oscillant. 4 Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que tous les éléments TEC ou diodes sont intégrés sur un substrat en As Ga. 5 Circuit selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que toutes les résistances sont intégrées sur un substrat en As Ga par implantation d'une couche résistive dans le substrat. 6 Circuit selon l'une des revendications 1 à 5, caracté20 risé en ee que toutes les selfs sont intégrées sur un substrat en As Ga sous forme de lignes microrubans, et notament en spirale. 7 Circuit selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est monolithiquement intégrable sur un substrat en As Ga. 8 Circuit selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est monolithiquement intégrable sur le même substrat que l'oscillateur libre ainsi stabilisé.