Brevet FR2589652A1 — publié le 19870507

-1- DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR DU TYPE MELANGEUR L'invention concerne un dispositif semiconducteur du type mélangeur, formé d'au moins un étage amplificateur à gain variable incluant un premier transistor à effet de champ T1 dont la première borne principale dite drain est polarisée à travers une charge T3 par une alimentation continue VDD et dont la borne de commande dite grille reçoit un premier signal RF à une première fréquence qui est modulé par un second si- gnal OL à une seconde fréquence appliqué à l'étage amplifica- teur à travers une résistance variable T2, en sorte que le si- gnal de sortie IF de l'étage amplificateur disponible sur la première borne principale dite drain du premier transistor T1 est formé du mélange du premier et du second signal. Ce dispositif trouve son application dans le trai- tement de signaux, par exemple hyperfréquences, dans le do- maine de la réception des émissions de télévision. Un tel dispositif mélangeur est connu de l'art an- térieur par la publication de Rory Van Tuyl dans "1980 IEEE Solid State Circuits Conference" à l'issue de "ISSCC 80, Thursday, February 14, Session X = Microwave Circuits, pages 118, 119", intitulée "A monolithic GaAs FET RF Signal Genera- tion Chip". Cette publication décrit en particulier un dispo- sitif mélangeur comprenant un étage amplificateur formé d'un premier transistor à effet de champ constituant la partie am- plificateur proprement dite. L'électrode de commande ou grille du premier transistor reçoit un premier signal à une première fréquence, qui est modulé par un second signal à une seconde fréquence. Ce second signal est appliqué sur la source du pre- mier transistor, par l'intermédiaire d'un second transistor à effet de champ utilisé comme une résistance variable. Le -2- premier transistor dit amplificateur est polarisé par rapport à l'alimentation continue par une charge appliquée sur son drain, et par rapport à la masse par un troisième transistor encore appliqué sur sa source et monté en source de courant, en sorte que cet étage fonctionne comme un amplificateur à contre-réaction de courant. Le mélange du premier et du second signal est disponible sur le drain du premier transistor et constitue la sortie de l'amplificateur à gain variable. Le troisième transistor utilisé comme source de courant présente une forte impédance afin d'interférer le moins possible dans la fonction du mélangeur. Le second transistor utilisé comme résistance variable reçoit le signal d'un oscillateur local sur sa grille et est placé dans les conditions o sa tension drain-source est équivalente à zéro. Le document cité décrit particulibrement un mon- tage double et équilibré de ce mélangeur, montage permettant d'améliorer l'isolation entre portes, c'est-à-dire d'obtenir une bonne isolation entre le signal de l'oscillateur local, le signal d'entrée du mélangeur et le signal de sortie. 20. Le circuit mélangeur décrit dans le document cité présente deux graves inconvénients. Le premier inconvénient réside dans le fait que le facteur de bruit de ce circuit est très élevé. Ceci est dû à la présence d'éléments bruyants ap- pliqués sur la source du premier transistor dit amplifica- teur. Un élément bruyant est, entre autres, le transistor uti- lisé comme source de courant. Le second inconvénient réside dans le fait que les bonnes conditions de polarisation du transistor amplificateur sont difficiles à obtenir. Le but de la présente invention est donc de s'af- franchir des inconvénients cités. Ce but est atteint au moyen d'un dispositif tel que décrit dans le préambule et caractérisé en ce que le second signal OL est appliqué à travers la résistance va- riable T2 sur la première borne principale dite drain du premier transistor T1, en sorte que la variation du gain de -3- l'amplificateur est engendre par la modulation de la charge constituée par T3 et T2. Ce dispositif peut être en outre caractérisé en ce que la seconde borne principale du premier transistor T1 est directement portée à un potentiel de référence VM. Le dispositif du type mélangeur conforme à la pré- sente invention présente alors, entre autres, les avantages suivants: a) le facteur de bruit de ce mélangeur est consi- dérablement amélioré par rapport à celui du mélangeur consi- déré comme état de la technique; b) la polarisation de l'étage amplificateur est obtenue de façon plus aisée; c) le gain de conversion est très bon; d) la tension d'alimentation nécessaire au fonc- tionnement du nouveau dispositif est plus faible que selon l'art antérieur donc la consommation en puissance est dimi- nuée. Le dispositif mélangeur selon l'invention peut en- core être formé de deux de ces étages amplificateurs à gain variable identiques et couplés, recevant respectivement le se- cond signal OL et son complémentaire OL, et fournissant le si- gnal de sortie IF et son complémentaire IF. Dans une forme de réalisation particulière de ce dispositif, le second signal OL et son complémentaire OL sont obtenus, à partir d'un oscillateur dit oscillateur local, en sorties d'un amplificateur antiphase comprenant un amplifica- teur différentiel sur une entrée duquel le signal de l'oscil- lateur local est applique. Le dispositif selon l'invention présente alors un avantage supplémentaire sur le dispositif constituant l'état de la technique. Cet avantage réside dans le fait que l'isola- tion entre les signaux d'entrée RF, de sortie IF et le signal de l'oscillateur local est grandement améliorée. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la -4- description suivante illustrée par les figures annexées dont: - la figure 1 qui représente l'étage mélangeur élémentaire selon l'invention; - la figure 2 qui représente l'étage mélangeur se- Ion une réalisation particulière; - la figure 3 qui représente un schéma équivalent de l'étage mélangeur selon l'invention; - la figure 4 qui représente un dispositif formé de deux étages mélangeurs élémentaires couplés et associés à un amplificateur antiphase. Tel que représenté sur la figure 1, l'étage ampli- ficateur sur lequel est fondée la conception du mélangeur, est un étage inverseur. Il est formé d'un premier transistor à ef- fet de champ T1 dont la première borne principale 1 dite élec- trode de drain est polarisée par une tension continue VDD à travers une charge T3 et dont la, seconde borne principale 2 dite électrode de source est portée directement à un potentiel continu de référence VM, par exemple la masse. La borne de commande 5 dite électrode de grille reçoit un premier signal RF à une première fréquence dite de référence. Ce signal RF peut être le signal issu d'une "tête" de réception d'antenne hyperfréquences par exemple. Le gain A en tension de cet étage inverseur est donné par la relation (1) : A = -R x gm (1) Dans laquelle gm est la transconductance du tran- sistor T1 et R est la valeur de sa charge totale. Pour réaliser la fonction de mélangeur à l'aide de cet étage amplificateur, le gain en tension A est modulé. Cet- te modulation est engendrée, dans le dispositif selon l'inven- tion, par la modulation de la charge R. La modulation de la charge R est obtenue par la variation d'une résistance variable T2, par l'intermédiaire de laquelle un second signal OL à une seconde fréquence est appliqué sur la première borne principale 1 (drain) du -5- transistor T1. Cette résistance variable T2 peut être avantageu- sement constituée par un transistor à effet de champ, dont l'une des bornes principales 4 est reliée au potentiel de ré- férence VM par l'intermédiaire d'une capacité C destiné à l'isolement en continu, dont la seconde borne principale 3 est reliée au drain 1 du transistor Tl amplificateur, et dont l'électrode de commande 6 (grille) reçoit le second signal OL. Ce signal peut provenir d'un oscillateur local. le transistor T2 utilisé comme résistance variable n'est donc traversé par aucun courant continu, il est polarisé en zone triode. L'application du signal OL sur sa grille 6 n'entraînera donc pas de variation de la polarisation du tran- sistor T1. Ceci permet de relier le transistor T2 directement à la première borne principale 1 (drain) du transistor ampli- ficateur T1, et, éventuellement, de polariser ce transistor par une charge T3 de type résistif. Ce principe est foncièrement différent de celui qui était utilisé dans le dispositif considéré comme état de la technique, o le gain en tension était une fonction à la fois de la valeur de la résistance de charge appliquée sur le drain, de la valeur de la résistance variable et de la valeur de la résistance appliquée sur la source du transistor formant l'étage amplificateur, ce dernier étant du type amplificateur à contre-réaction de courant, la variation du gain étant ob- tenue par modulation de la résistance appliquée sur la source, du fait que le signal de l'oscillateur local étant lui-même appliqué sur cette source à travers la résistance variable. Selon la présente invention, la suppression du transistor source de courant appliqué sur la source 2 du tran- sistor amplificateur, entraIne une simplification du montage, une polarisation plus aisée ainsi qu'une amélioration consi- d6rable du facteur de bruit; et l'application du second si- gnal OL sur le drain 1 du transistor amplificateur, entraîne une prévision du gain par calcul plus aisé, donc une mise en 2S89652 -6- oeuvre du circuit plus simple et moins coûteuse. Le signal de sortie IF formé par le mélange du premier signal RF et du second signal OL est disponible sur la premibre borne principale 1 (drain) du transistor T1 amplifi- cateur. Le gain de conversion A est très bon, et l'isolation entre le premier signal dit de référence RF et le second si- gnal OL issu par exemple d'un oscillateur local est améliorée par rapport à l'art antérieur, car il n'y a pas, dans le mon- tage selon l'invention possibilité de retour du signal OL sur la grille du transistor T1. La figure 2 montre une variante du montage de l'étage mélangeur selon l'invention dans lequel la charge T3 est constituée par un transistor à effet de champ monté en source de courant. Un schéma équivalent simplifié de l'étage mélan- geur élémentaire précédent, est réalisé sur la figure 3. Ce schéma permet d'effectuer un calcul au premier ordre du gain de conversion de l'étage amplificateur selon l'invention. Ce gain de conversion A est donné par la relation (2): A = -(R3.ROL) (ROL + R3 + gd ROL R3)-1 x gm (2) dans laquelle ROL représente la résistance du transistor utilisé comme résistance variable T2, R3 représente la valeur de la résistance de la charge T3, et gd représente la conduc- tance du drain du transistor amplificateur T1. Cette relation montre que le gain du dispositif selon l'invention peut être calculé et optimisé de façon sim- ple en fonction du dimensionnement des transistors. La figure 4 montre un exemple de réalisation d'un circuit mélangeur équilibré incluant deux étages mélangeurs élémentaires selon l'invention couplés formant deux branches. La première branche comprend le premier étage mé- langeur formé des transistors T1, T2, T3 et la seconde branche comprend le second étage mélangeur formé des transistors T'1, T'2, T'3 correspondants identiques. -7- Ces deux branches sont couplées par la mise en commun de la capacité C d'isolation en continu de chacun des transistors T2 et T'2 utilisés comme rdsistances variables des deux étages mélangeurs. Chacun de ces étages mélangeurs reçoit sur l'élec- trode de commande, ou grille (5,15) des transistors amplifica- teurs respectivement T1 et T'j, le signal d'entrée de réfé- rence RF. L'un de ces étages mélangeurs fournit sur la pre- mière borne principale 1 (drain) de son transistor amplifi- cateur par exemple Tl, le signal de sortie IF, en recevant sur la borne de commande 6 (grille) de son transistor utilisé com- me résistance variable par exemple T2, le second signal OL. L'autre étage mélangeur fournit alors sur la pre- mière borne principale 11 (drain) de son transistor amplifi- cateur T'1, le signal de sortie complémentaire IF, en recevant sur la borne de commande 16 (grille) de son transistor utilisé comme résistance variable T'2 le complémentaire OL du second signal. Afin de fournir le second signal OL et son complè- mentaire OL de façon appropriée, il est adjoint au montage précédent un amplificateur différentiel antiphase destiné à fournir le second signal OL et son complémentaire OL à partir du signal VOL issu directement par exemple d'un oscillateur local. Les branches de cet amplificateur différentiel sont formées pour l'une du transistor à effet de champ T4 dont le drain 21 est relié à la tension d'alimentation VDD à travers la charge R4 et pour l'autre du transistor à effet de champ T'4 dont le drain 31 est relié ê la tension VDD à tra- vers la charge R'4. Les électrodes 22 et 32 de source des transistors T4 et T'4 sont couplées au drain 51 d'un transis- tor à effet de champ T5 monté en source de courant, dont la source 52 et la grille 53 court-circuitées sont portées à un potentiel -Vss -8 - Le signal VOL de l'oscillateur local est appli- qué par exemple sur l'électrode de commande 23 du transistor T4 de l'amplificateur différentiel par l'intermédiaire d'un circuit incluant la capacité C5, placée en série sur l'entrée, et la résistance R5 placée entre l'électrode de commande (grille) du transistor T4 et un potentiel continu -VG2 tel que: -Vss montées en parallèle et reliées au potentiel -VG2. La sortie OL et son complémentaire OL de cet am- plificateur différentiel antiphase, sont respectivement repor- tées par l'intermédiaire des capacités C2 et C'2, sur les électrodes de commande 6 et 16 (grille) des transistors T2 et T'2 des étages mélangeurs couplés. La polarisation et l'équilibrage du montage in- cluent encore le placement des résistances R2 et R'2 respec- tivement entre les électrodes de commandes 6 et 16 de ces transistors T2 et T'2 et un potentiel continu VG1 tel que: VM ainsi que le placement des résistance R1 et R'1 respectivement entre les électrodes de commande 5 et 15 des transistors IlT1 et T'1 et le potentiel -VG2. L'ensemble du circuit décrit dans cet exemple de réalisation, c'est-àdire à la fois les étages mélangeurs couples et l'amplificateur différentiel antiphase, peut être intégré de façon avantageuse sur un substrat en arséniure de gallium, dont les propriétés sont particulièrement favorables à la réalisation de circuits hyperfréquences, et en particu- lier des circuits utilisés en bande UHF. Les transistors à effet de champ utilisés peuvent être du type à désertion de charges (c'est-à-dire normalement passant en l'absence de signal grille-source). -9- Les tableaux I et II donnent alors respectivement la largeur de grille des transistors et la valeur des résis- tances utilisées, dans les conditions o les tensions d'ali- mentation sont les suivantes: VDD = + 4 V -V5s = -3 V VG1 = + 1 V -VG2 = -1 V VM = 0 V (la masse) VT -2 V VT étant la tension de pincement des transistors à effet de champ. Dans l'hypothèse de l'intégration du circuit pré- cédemment décrit, sur un substrat en arséniure de gallium, la capacité C, placée entre les transistors T2 et T'2 et la masse, et présentant un forte valeur de l'ordre de 1 nF ne sera pas intégrée. Le circuit décrit montre alors les performances suivantes: Gain de conversion GC 4 dB par voie Consommation en puissance P 75 mW. Comme il a été dit précédemment, ce circuit mélan- geur peut être utilisé dans les applications hyperfréquences et en bande UHF et tout particulièrement dans le traitement du signal issu d'une "tête de réception" d'antenne utilisée dans la réception des émissions de télévision en bande UHF. Dans cette application, le signal de référence RF est le signal fourni par l'antenne à une première fréquence fl comprise en- tre 460 et 860 MHz. Le signal de l'oscillateur local OL est à une seconde fréquence f2 comprise entre 430 et 830 MHz. Le circuit décrit présente l'avantage d'être à la fois très performant, simple et intégrable, ce qui est très favorable à une telle application de fabrication grand public. -10- TABLEAU I TABLEAU II Résistances et capacités Valeurs R1, R'1 20 kQ R2, R'2 20 ka R4 1 kQ R'4 1,1 kQ C5, C'5 1 pF C2, C'2 i pF R5, R'5 20 kQ C 1 nF -Il- REVENDICATIONS: 1. Dispositif semiconducteur du type mélangeur, formé d'au moins un étage amplificateur à gain variable incluant un premier transistor à effet de champ T1 dont la première borne principale dite drain est polarisée à travers une charge T3 par une alimentation continue VDD, et dont la borne de com- mande dite grille reçoit un premier signal RF à une premibre fréquence, lequel est modulé par un second signal OL à une se- conde fréquence appliqué à l'étage amplificateur à travers une résistance variable T2, en sorte que le signal de sortie IF de l'étage amplificateur disponible sur la première borne prin- cipale dite drain du premier transistor TI est formé du mé- lange du premier et du second signal, caractérisé en ce que le second signal OL est appliqué à travers la résistance variable T2 sur la première borne principale dite drain du premier transistor T1, en sorte que la variation du gain de l'amplifi- cateur est engendrée par la modulation de la charge constituée par T3 et T2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde borne principale dite source du premier transistor T1 est directement portée à un potentiel de réfé- rence VM. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la charge T3 est constituée par une résistance. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la charge T3 est constituée par un transistor à effet de champ. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, carac- térisé en ce que la résistance variable T2 est constituée par un transistor à effet de champ monté en triode. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est formé de deux amplificateurs à gain variable identiques et couplés, recevant respectivement le second signal OL et son complémentaire OL et fournissant le signal de sortie IF et son complémentaire IF. -12- 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le second signal OL et son complémentaire OL, sont fournis à partir d'un oscillateur dit oscillateur local, par l'interm6diaire d'un amplificateur antiphase formé d'un amplificateur différentiel sur une entrée duquel le signal de l'oscillateur local est appliqué.