Brevet FR2597678A1 — publié le 19871023

OSCILLATEUR COMMANDE PAR UNE TENSION, DOUBLEUR DE FREQUENCE La présente invention concerne un circuit électronique hyperfréquence, et plus précisément un oscillateur contrôlé par une tension, doubleur de fréquence et à faible bruit de modulation de fréquence aux environs de sa fréquence centrale d'oscillation, dite porteuse. Par définition, un oscillateur contrôlé par une tension, plus connu sous le sigle VCO (de l'anglais Voltage Controlled Oscillator) nécessite d'avoir un circuit résonant qui lui permette d'osciller dans une vaste plage de fréquences, correspondant à une courbe aplatie 10 de fréquence en fonction de la tension, tandis qu'un oscillateur pour une fréquence pure a une courbe très resserrée, avec le moins possible de bruit en modulation de fréquence, dit bruit FM, autour de la porteuse. Or l'une des caractéristiques pour lesquelles les VCO sont 15 encore limités est d'avoir trop de bruit FM autour de la porteuse. A titre d'exemple, pour des oscillateurs à transistors à effet de champ à très large bande (1 octave), un bruit FM de -65 à -80 dBc/Hz à kHz autour de la porteuse à 5 GHz est une valeur courante. Pour améliorer ce bruit FM autour de la porteuse, il est connu 20 de réaliser un VCO sous forme d'oscillateur doubleur, dans lequel deux transistors sont montés en parallèle et travaillent dans des conditions telles que leurs courants de drains soient en opposition de phases pour le mode fondamental. Selon l'invention, le moyen qui permet aux deux transistors 25 d'être, sur leurs sorties, en opposition de phase, consiste en un varactor, ou diode à capacité variable, dont chaque borne d'accès est reliée à une grille d'un transistor à effet de champ, ou à la base si le VCO doubleur est réalisé en transistors bipolaires. Le varactor est donc monté en pont entre les deux grilles des deux transistors. On entend par varactor un dispositif de type diode à jonction dont la réactance peut être modifiée de façon contrô6lée par une tension de polarisation. De façon plus précise, l'invention concerne un oscillateur 5 contr8ôlé par une tension, doubleur de fréquence, comportant deux transistors travaillant en parallèle, dont les courants recueillis sur l'une de leurs électrodes d'accès (source ou drain) sont en opposition de phase, de façon à diminuer le bruit en modulation de fréquence autour de la fréquence fondamentale de l'oscillateur, cet oscillateur 10 étant caractérisé en ce qu'il comporte un unique circuit pour les deux grilles des deux transistors, constitué par un varactor dont chaque borne d'accès est réunie à une grille de transistor. L'invention sera mieux comprise, et ses avantages ressortiront de la description de deux exemples d'application, s'appuyant sur les 15 figures jointes en annexe, qui représentent: - figure I: schéma simplifié d'un oscillateur doubleur, selon l'art connu, - figure 2: schéma électrique d'un oscillateur doubleur selon l'invention, - figure 3 schéma électrique d'une variante de montage de l'oscillateur doubleur selon l'invention. Les oscillateurs doubleurs sont des dispositifs connus qui associent deux transistors, généralement deux transistors à effet de champ en hyperfréquence, qui travaillent en parallèle, et dont les 25 circuits résonants sont tels que, si leur grille oscille à une fréquence fo, le courant sur leur électrode de sortie, source ou drain, oscille à une fréquence 2f. O Un exemple d'oscillateur doubleur, connu, est donné en figure 1. Il est d'un type désigné par le vocable "push-push". Deux 30 transistors à effet de champ 1 et 2 travaillent en parallèle, et on les oblige à osciller en opposition de phase. Pour cela, deux microbandes 3 et 4, parallèles entre elles, sont connectées, chacune, sur la grille d'un transistor. Une réactance est connectée à chacune des sources, et l'énergie totale est recueillie sur un transformateur d'impédance connecté aux drains: ce montage, ainsi que la polarisation des transistors, fait partie des connaissances de l'homme de l'art. Entre les deux microbandes 3 et 4 est positionné un résonateur diélectrique 5. Puisque les circuits de grille de chaque transistor 5 sont sur des côtés opposés du résonateur diélectrique 5, les courants de chaque grille sont couplés et exactement en opposition de phase. Dans ces conditions, chaque transistor est asservi en phase à l'autre transistor, et la seconde harmonique de leur énergie est en phase à la sortie de l'oscillateur, sur les drains. En fait, le résonateur diélectrique présente des difficultés de mise en oeuvre. D'abord, on sait que les résontateurs diélectriques sont de petits cylindres de céramiques et, à des fréquences de l'ordre de 20 GHz, ils ont un diamètre de l'ordre de 1 mm: c'est petit pour l'usinage, et très gros pour être déposé et positionné sur 15 la pastille d'un circuit intégré. Ensuite, les résonateurs sont résistifs à plusieurs fréquences,puisque plusieurs modes sont possibles, outre le mode fondamental, dans une structure cylindrique donnée. Donc des modes hybrides et d'ordres supérieurs peuvent être excités par une même structure de couplage. Le circuit d'oscillateur doit donc 20 être conçu pour prévenir l'oscillation à des fréquences non désirées. L'oscillateur contrôlé en tension, selon l'invention, évite les inconvénients du résonateur diélectrique, et est intégrable sur une pastille de matériau semiconducteur, silicium ou matériau du groupe III-V tel que GaAs, selon la fréquence. Il est également de type 25 "push-push". Il comprend deux voies identiques. Sur la figure 2, deux transistors à effet de champ 6 et 7 ont, chacun, leur source connectée à un circuit LC composé d'une self 8 et d'une capacité 9, tandis que leurs deux drains sont réunis ensemble, à travers une self 30 10 et une capacité 23, à une charge 11. La capacité 23 découple le continu des hyperfréquences. Les deux transistors sont alimentés par leurs drains à partir d'une tension + VDD, à travers une self 12, avec une capacité de découplage 13. L'originalité du circuit vient de ce que l'opposition de phase, à la fréquence fondamentale, entre les deux grilles des deux transistors est obtenue au moyen d'un varactor, dont chaque borne d'accès est réunie à la grille d'un transistor. Un varactor est une jonction PN ou Schottky polarisée en inverse: ce dispositif se présente alors, en fonction de la tension appliquée à ses bornes, comme une capacité variable en série avec une faible résistance. Un varactor est donc une diode polarisée en inverse: les meilleurs varactors actuels sont les varactors hyper10 abrupts en GaAs. Un varactor 14 est donc connecté entre les grilles des deux transistors 6 et 7: chacune de ses bornes d'accès est cependant réunie à une grille à travers une capacité, 15 ou 16, de façon à ce que la grille considérée soit découplée en courant continu. En effet, 15 le varactor 14 nécessite une tension de polarisation, qui est appliquée directement à ses bornes, entre les connexions 17 et 18 d'accès extérieur, cette tension étant filtrée par les selfs 19 et 21 et les capacités de découplage 20 et 22. Dans un oscillateur accordable par varactor, c'est la variation de susceptance présentée par les circuits associés au transistors à 20 qui limite en premier lieu la bande d'accord électronique. Dans l'oscillateur selon l'invention, il n'y a pas de self-inductance en parallèle sur les bornes des transistors, et dans ce cas la plage de fréquences du VCO est donnée par: tu max/ min = \Vmax/Cmin sachant que la fréquence f est liée à la pulsation par co= 2irf, Cmax max et Cmin étant les valeurs extrêmes du varactor 14. Pratiquement, il existe toujours une faible self inductance dûe aux connexions. Cette dernière a pour effet de diminuer la largeur de bande à conductance 30 négative: le varactor 14 augmente la plage de résistance négative, et modifie l'impédance des circuits de grilles. L'un des problèmes posés par les varactors est qu'ils nécessitent d'amener directement à leurs bornes la tension de polari- sation: celle-ci entraine des réactances parasites supplémentaires. Pour obtenir une bande d'accord plus élevée, on peut placer un autre varactor d'accord dans le circuit de source, pour chaque transistor du VCO. C'est cette variante qui est représentée en figure 3. Le circuit des grilles des transistors 6 et 7 est identique à celui de la figure précédente, et comprend un premier varactor 14. Mais deux autres varactors 24 et 25 sont montés dans le circuit de source des transistors 6 et 7, le varactor 24 dans le circuit du transistor 6 et le 10 varactor 25 dans le circuit du transistor 7. Chacun de ces varactors est introduit entre la self 8 et la capacité 9 de découplage du cricuit de source. Selon la technique connue de l'homme de l'art, les second et troisième varactors 24 et 25 sont polarisés en inverse, par une 15 tension entre les bornes 26 et la masse pour le varactor 24, et par une tension entre les bornes 27 et la masse pour le varactor 25. Les tensions d'alimentation des varactors 24 et 25 sont elles-mêmes filtrées. Les varactors montés dans les circuits de sources modifient 20 l'impédance de source et augmentent la plage de résistance négative: la bande d'accord du VCO est plus large, puisqu'elle est fonction des capacités des varactors et des capacités de source. En outre, puisque les deux transistors travaillent en opposition de phase, le bruit FM autour de la porteuse est amélioré: on a 25 mesuré pour un VCO ne comportant qu'un seul varactor 14 de grilles un bruit FM de -75dBc/Hz à 10kHz de la porteuse, et une valeur évaluée à 105dBc/Hz à 100kHz de la porteuse à 5,5GHz (mode fondamental à 2,75GHz). Le bruit FM à 100kHz n'a pu être qu'évalué car il est si faible que le bruit FM de l'analyseur de spectre 30 intervient. L'oscillateur commandé par une tension a été décrit en s'appuyant sur des transistors à effet de champ, mais sa structure se prête à une adaptation aux transistors bipolaires, selon la fréquence. Cette structure permet l'intégration monolithique, car les varactors sont des diodes, intégrables au même titre que les transistors, les selfs et capacités, surtout en hyperfréquences. L'oscillateur commandé par une tension, selon l'invention, est 5 utilisé dans les chaines de traitement de l'information, ou comme oscillateur local, pour les radars et télécommunications. Il est précisé par les revendications suivantes. 1. S,; 1 1 k 1 REVENDICATIONS I. Oscillateur contr6lé par une tension, doubleur de fréquence, comportant deux transistors (6,7) travaillant en parallèle, dont les courants recueillis sur l'une de leurs électrodes d'accès (source ou drain) sont en opposition de phase, de façon à diminuer le bruit en modulation de fréquence autour de la fréquence fondamentale de l'oscillateur, cet oscillateur étant caractérisé en ce qu'il comporte un unique circuit pour les deux grilles des deux transistors (6,7), constitué par un varactor (14) dont chaque borne d'accès est réunie à une grille de transistor (6,7). 2. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, entre chaque borne d'accès du varactor (14) et chaque grille des deux transistors (6,7), est montée une capacité (15,16), de façon à découpler les grilles en courant continu. 3. Oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le varactor (14) est polarisé en inverse, en courant continu, par une tension extérieure appliquée entre deux bornes (17,18), ladite tension de polarisation étant découplée de chacune des grilles des transistors (6,7) par une capacité (15,16). 4. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que 20 l'énergie est recueillie sur le drain de chaque transistor (6,7), à travers une self-inductance (10), les courants de drain des deux transistors étant couplés et appliqués à une charge (11). 5. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un deuxième et un troisième varactors (24, 25) 25 montés dans les circuits de sources des deux transistors (6,7), chacun de ces varactors (24, 25) étant monté entre la self (8) et la capacité de découplage (9) du circuit de grille d'un transistor. 6. Oscillateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deuxième et troisième varactors (24, 25) sont polarisés en inverses, en courant continue, par une tension extérieure appliquée entre une borne (26, 27), commune au varactor (24, 25) et la capacité de découplage (9), et la masse.