Brevet FR2595173A1 — publié le 19870904

CIRCUIT AMPLIFICATEUR DISTRIBUE LARGE BANDE DANS LE DOMAINE DES HYPERFREQUENCES L'invention concerne un circuit amplificateur distribué large bande, cet amplificateur étant constitué de plusieurs transistors à effet de champ dont les grilles sont connectées à des inductances de manière à former une ligne de transmission dite ligne de grille, dont les drains sont con- nectés à des inductances de manière à former une ligne de transmission dite ligne de drain, et dont les sources sont re- liées à la masse, la distribution des étages le long de la li- gne de grille et de drain étant faite de manière telle que ces lignes de grille et de drain sont périodiquement chargées par leur propre impédance et par les capacités de grille et de drain des transistors constituant ainsi des lignes dites arti- ficielles, et telle qu'un signal d'entrée hyperfréquences est appliqué sur l'entrée de la ligne de grille et un signal de sortie hyperfréquences amplifié est prélevé sur la sortie de la ligne de drain, les extrémités des lignes de grille et de drain opposées aux entrées-sorties étant fermées sur des char- ges, et au moins une de ces extrémités de ligne comportant un circuit de polarisation. L'invention trouve son application dans la réali- sation d'amplificateurs intégrés sur substrat semiconducteurs du groupe III-V fonctionnant dans le domaine des hyperfréquen- ces, sur une large bande, par exemple entre 2 et 30 GHz et au-delà. Un tel amplificateur distribué est connu par la publication dans IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, Vol MTT-32, N 1, January 1984, de l'article intitulé "2-20 GHz GaAs Traveling-Wave Amplifier" par YALCIN AYASLI et alii, p.71 à 78. Selon le document cité, cet amplificateur est -2- formé d'une pluralité d'étages montés en cascade. Chaque étage comprend un transistor à effet de champ, dont les capacités d'entrées et de sorties sont combinées avec des inductances pour former respectivement une ligne d'entrée et une ligne de sortie. Ces inductances sont du type microruban et sont donc chargées périodiquement par les impédances de grille et de drain présentées par le transistor à effet de champ. Un tel circuit possède la propriété d'être très large bande, s'étendant au domaine hyperfréquences, et d'être intégrable par exemple sur arséniure de gallium. Mais tel que décrit dans le document cité, cet amplificateur présente certains inconvénients. En particulier, sa fréquence maximale de fonctionnement est limitée du fait des circuits de polarisation qui dégradent les performances. Selon le document cité ce problème est résolu au mieux par des circuits de polarisation de grille et de drain sophistiqués placés aux extrémités des lignes artificielles de transmission et constitués de tronçons de lignes et de capacités formant des circuits LC. Cependant, lorsque l'homme du métier se propose de réaliser le circuit préconisé par le document cité, il ap- parait que, en dépit de cette amélioration des circuits de po- larisation, des réflexions multiples se produisent aux extré- mités des lignes de grille et de drain limitant encore la bande passante de cet amplificateur. Du fait du couplage entre la ligne de grille et la ligne de drain dû aux capacités grille-drain des transistors, ces réflexions perturbent la propagation le long des lignes de grille et de drain. Il appa- rait en outre que les variations des impédances caractéris- tiques des lignes artificielles de transmission avec la fré- quence ne peuvent être compensées exactement par une simple amélioration des circuits incluant les polarisations. C'est pourquoi la présente invention propose un circuit amplificateur distribué, qui est dépourvu de ces in- convénients. - 3 - Selon l'invention ce but est atteint à l'aide d'un circuit amplificateur distribué tel que décrit dans le préambule, caractérisé en ce que l'extrémité de la ligne de drain opposée à la sortie est munie de moyens de polarisation tandis que l'extrémité de la ligne de grille opposée à l'en- trée est munie de moyens pour compenser les variations de l'impédance caractéristique des lignes artificielles en fonc- tion de la fréquence. Le circuit amplificateur distribué pré- sente alors, entre autres, les avantages suivants: - les variations d'impédance caractéristique, en fonction de la fréquence, des lignes de transmission artifi- cielles (constituées d'inductances associées aux capacités de grille et de drain des transistors) sont compensées. Ceci est un facteur prépondérant dans l'amélioration des caractéristi- ques des amplificateurs distribués en termes de bande passan- te et ondulation du gain; - les réflexions multiples dues à ces variations sont diminuées; - la polarisation de grille et de drain des transis- tors est réalisée au mieux; - l'effet du couplage entre les lignes de grille et de drain, dû aux capacités grille-drain des transistors est diminué; - l'ondulation du gain, causée par des perturbations de la propagation des ondes le long des lignes de transmis- sion, est considérablement réduite; - la bande passante qui était, dans l'état de la technique, largement inférieure à la fréquence de coupure des lignes artificielles est augmentée; - les transistors sont utilisés dans de meilleures conditions et au maximum de leur capacité. On notera que l'amplificateur distribué réalisé selon l'invention permet d'atteindre des fréquences aussi éle- vées que 30 GHz, ce qui est bien supérieur à ce qui est obtenu à l'aide du circuit considéré comme état de la technique, dont - 4 - la fréquence de coupure était de l'ordre de 20 GHz. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante illustrée par les figures annexées dont: - la figure i qui représente le circuit amplifi- cateur selon l'invention; - la figure 2 qui représente le gain en dB en fonction de la fréquence, obtenu à l'aide du circuit amplifi- cateur selon l'invention. Tel que représenté sur la figure 1, l'amplifica- teur distribué, conforme à l'invention comprend une pluralité de transistors à effet de champ T1, T2... etc... montés en source commune, une première ligne LG formée de tronçons de lignes hyperfréquences L1, L2...etc d'impédances LG1, LG2... respectivement, et une seconde ligne LD formée de tronçons de lignes hyperfréquences Lll, L12,...etc, d'impédances LD11, LD12... respectivement. Les grilles des transistors T1, T2... sont con- nectées de façon périodique à la ligne LG dite ligne de grille, entre les tronçons de lignes hyperfréquences L1, L2... respectivement. Les drains des transistors T1, T2... sont connec- tés de façon périodique à la ligne LD dite ligne de drain, entre les tronçons de lignes hyperfréquences Lll, L12... res- pectivement. Un signal d'entrée E hyperfréquences est appliqué à cet amplificateur sur l'extrémité de la ligne de grille LG et la sortie S hyperfréquences amplifiée est prélevée sur l'extrémité de la ligne de drain. Les impédances propres L1, L2,... de la ligne de grille LG forment avec les capacités intrinsèques grille- source des transistors à effet de champ Tl, T2..., une ligne hyperfréquences distribuée dite ligne de transmission artifi- cielle. Il en est de même pour la ligne de drain LD, entre les impédances propres Lll, L12... et les capacités -5- drain-source des transistors à effet de champ T1, T2.... Le principe de fonctionnement de l'amplificateur distribué est basé sur la propagation des signaux le long des lignes de transmission artificielles ainsi constituées. Lors- que le signal hyperfréquence E est appliqué sur la ligne grille, il se propage en excitant chaque transistor qui four- nit alors une puissance de sortie capable de se propager sur la ligne drain. Si la vitesse de phase des deux lignes de transmissions artificielles est identique, la puissance s'ad- ditionne en phase lors de la propagation le long de la ligne drain. Il est alors possible d'obtenir une amplification dans une bande de fréquence limitée entre autres par la fréquence de coupure des lignes de transmission. Lorsque l'amplificateur fonctionne à différentes fréquences dans le domaine des hyperfréquences, il est clair que les tronçons L1, L2, Lll, L12... peuvent représenter des petites sections de lignes de transmission pour des fréquences telles que 2 GHz, alors que ces mêmes tronçons peuvent attein- dre une dimension de l'ordre de grandeur d'une longueur d'onde pour des fréquences telles que 20 GHz. La longueur de ces tronçons est calculées de manière à assurer le déphasage nécessaire au bon fonctionnement de l'amplificateur. L'amplificateur comprend en outre au moins un circuit de polarisation. Selon l'art antérieur, la limitation due aux circuits de polarisation peut être évitée par l'ap- plication d'un dispositif de polarisation plus sophistiqué aux extrémités des lignes opposées aux entrées et sorties. Selon l'invention, un tel circuit de polarisation P est prévu à l'extrémité de la ligne LD opposée à la sor- tie S. Ce circuit de polarisation P est constitué de tronçons de lignes de transmission hyperfréquences, L21, L22, L23... et de capacités C21, C22, C23 montées entre la masse et les noeuds de liaisons entre chacun de ces tronçons L21, L22, Les lignes LG et LD sont en outre fermées sur -6- une charge respectivement CG et CD. La charge appliquée à la ligne de grille LG est formée d'une résistance R30 et d'une capacité C30 montées en série et placées entre la sortie de la ligne LG et la masse. Cependant selon l'invention un tel montage peut encore être amélioré. En effet la fréquence de fonctionnement d'un tel amplificateur distribué est limitée théoriquement d'une part par la fréquence de coupure des transistors à effet de champ, et d'autre part par la fréquence de coupure des lignes artifi- cielles. En fait, la fréquence de coupure réelle du cir- cuit est bien inférieure à ces fréquences théoriques, car cette fréquence de coupure est limitée par les réflexions mul- tiples et des phénomènes de résonnances qui en découlent. On a vu que ces phénomènes sont dus à la variations des impédances caractéristiques des lignes lorsque la fréquence de fonction- nement varie, et que la seule amélioration de la polarisation ne suffit pas pour supprimer ces phénomènes. Ces phénomènes de réflexions apparaissent en particulier sur la ligne de grille, au niveau du plan AA', l'onde sur la ligne de grille se propa- geant de l'entrée E en direction de la charge CG. Sur la ligne de drain, une partie de l'onde se dirige vers la sortie S et une autre partie de l'onde se di- rige vers le plan BB'. Mais cette dernière onde incidente ar- rivant sur BB' est très atténuée, si bien que les réflexions sont très faibles et ne nécessitent pas l'adjonction d'un cir- cuit de compensation. Selon l'invention, la variation des impédances des lignes est compensée par un circuit LM placé sur la li- gne de grille LG entre l'extrémité opposée à l'entrée et la charge CG, au niveau du plan AA'. Ce circuit de compensation d'impédance LM est formé de deux tronçons de lignes hyperfréquences L31 et L32 placées en série dans le prolongement de la ligne LG, et - 7 - d'au moins une ligne ouverte L33 par exemple reliée à la ligne LG entre les tronçons L31 et L32. De façon préférentielle une seconde ligne ouverte L34 est également adjointe à ce circuit LM et reliée à la ligne LG entre le tronçon L32 et la charge CG. Le circuit LM analysé séparément présente à son entrée (dans le plan AA') une impédance dont le comportement fréquentiel est identique à celui des impédances caractéris- tiques des lignes de grille et de drain. De cette façon, les variations d'impédance en fonction de la fréquence sont compensées, - les phénomènes de résonnance dus aux réflexions multiples sont supprimés, l'ef- fet de couplage entre les lignes est atténué et les avantages décrits sont alors réellement obtenus. L'amélioration de la polarisation devient alors efficace: les transistors travaillent dans de meilleures con- ditions. L'ensemble de ces améliorations permet d'obtenir un élargissement de la bande passante dont la fréquence de coupure se rapproche alors de la fréquence de coupure théori- que, avec une ondulation sur le gain diminuée. On notera que dans un amplificateur distribué tel que selon l'invention le tronçon de ligne placée sur le drain du transistor T1 dans la position Lll, ne fait pas partie de la charge CD mais bien de la ligne de drain LD. De même le tronçon de ligne placé sur la grille du transistor T8 dans la position de L8, ne fait pas partie de la charge CG, mais bien de la ligne de grille LG. Ceci est dû au principe même de fonctionnement d'un amplificateur distribué. En conséquence, on notera que, bien que dans le document cité comme état de l'art, il est dit que des charges plus sophistiquées sont élaborées en tenant compte de ces tronçons d'extrémité des lignes artificielles, une telle af- firmation ne peut être en fait soutenue, car elle n'est pas en cohérence avec le principe théorique de fonctionnement d'un tel amplificateur. Dans un exemple de réalisation, l'amplificateur distribué selon l'invention est formé d'un nombre de 8 tran- sistors à effet de champ. Les tronçons de lignes de transmis- sion sont du type microruban. Les dimensions des longueurs L de grille des transistors, des largeurs ú de grille des transistors, leur tension de pincement VT, la largeur W des lignes de trans- mission, la longueur e des lignes de transmission sont données dans le tableau I suivant. Ce circuit est réalisé sur un substrat d'épais- seur e = 250 pm et de permitivité C = 9,6, par exemple en cé- ramique, et en particulier en alumine. Les transistors sont du type implanté réalisés par exemple sur un substrat semi-iso- lant du groupe III-V tel que l'arséniure de gallium. Les élec- trodes des transistors peuvent être reliées aux lignes par des fils ultra-courts de manière telle que l'ensemble des transis- tors et des lignes est supporté par un substrat isolant com- mun, complètement autonome et dépourvu de polarisation exté- rieure. Dans un autre exemple de réalisation, l'ensemble des transistors et des inductances formant les lignes peut être intégré monolithiquement sur un substrat en un composé du groupe III-V tel que l'arséniure de gallium. -9- TABLEAU I Transistors AsGa. L VT Type 6 doigts élémentaires T1.... T8 75pm 0,5 pm 3V Type N implanté L Lignes de transmission W L12, L13...-- L17 50 pm 545 p m L2,... L7 50 pm 300 pim Lll et L18 50 pm 545/2 pm L1 et L8 50 pm 150 pm L31 50 pm 146 pm L32 110 pm L33 600 pm L34 900 pm Polarisation de drain W Capacité L21 30 pm 2150 pm L22 30 pm 1310 pm L23 30 pm 370 pm C21, C22, C23 47 pF Charges Résistances Capacités R20 40 Q C20 47 pF R30 53,4 Q C30 47 pF - 10 - A l'aide du montage décrit précédemment et jugé de configuration préférable, la courbe du gain en fonction de la fréquence, représentée sur la figure 2, est obtenue. De par cette courbe, on note qu'un gain d'au moins 4,5dB est obtenu entre 2 et 30 GHz comme il a été annoncé précédemment. Cette courbe a été tracée dans les conditions o la tension drain-source des transistors est VDS = 4 V pour un courant de drain ID = 150 mA. 2595 1 73 - 11'- REVENDICATIONS: 1. Circuit amplificateur distribué large bande cons- titué de plusieurs transistors à effet de champ dont les grilles sont connectées à des inductances de manière à former une ligne de transmission dite ligne de grille, dont les drains sont connectés à des inductances de manière à former une ligne de transmission dite ligne de drain, et dont les sources sont reliées à la masse, la distribution des étages le long de la ligne de grille et de drain étant faite de manière telle que ces lignes de grille et de drain sont périodiquement chargées par leur propre impédance et par les capacités de grille et de drain des transistors constituant ainsi des li- gnes dites artificielles, et telle qu'un signal d'entrée hy- perfréquences est appliqué sur l'entrée de la ligne de grille et un signal de sortie hyperfréquences amplifié est prélevé sur la sortie de la ligne de drain, les extrémités des lignes de grille et de drain opposées aux entrées-sorties étant fer- mées sur des charges, et au moins une de ces extrémités de ligne comportant un circuit de polarisation, caractérisé en ce que l'extrémité de la ligne de drain opposée à la sortie est seule munie de moyens de polarisations tandis que l'extrémité de la ligne de grille opposée à l'entrée est munie de moyens pour compenser les variations de l'impédance caractéristique des lignes artificielles en fonction de la fréquence. 2. Circuit amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour compenser les variations des impédances caractéristiques sont constitués par des tron- çons de lignes hyperfréquences en série avec la ligne de grille, entre lesquels sont connectés des tronçons de lignes ouvertes. 3. Circuit amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tronçons de lignes hyperfréquences en série sont au nombre de deux et les tronçons de lignes ouvertes sont au moins au nombre de un. 4. Circuit amplificateur selon l'une des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les moyens de - 12 - polarisation sont constitués de tronçons de lignes hyper- fréquences en sére avec la ligne de drain, entre lesquelles sont reliées des capacités, les secondes bornes de ces capa- cités étant d'autre part reliées à la masse. 5. Circuit amplificateur selon l'une des revendica- tions précédentes caractérisé en ce que chaque charge est constituée par une résistance en série avec une capacité. 6. Circuit amplificateur selon l'une des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est réalisé sur un subs- trat isolant complètement autonome dépourvu de polarisation extérieure. 7. Circuit amplificateur selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les transistors à effet de champ sont du type N implanté. 8. Circuit amplificateur selon l'une des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que les lignes hyperfréquences sont du type microruban. 9. Circuit amplificateur selon l'une des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que le substrat est en céra- mique par exemple de l'alumine. 10. Circuit amplificateur selon l'une des revendica- tions 1 à 7 caractérisé en ce qu'il est monolithiquement in- tégré sur un substrat en un composé du groupe III-V.