Brevet FR2605817A1 — publié le 19880429

AMPLIFICATEUR N-OFF LARGE BANDE REALISE SUR SUBSTRAT D'ARSE NIURE DE GALLIUM". La présente invention concerne un amplificateur large bande réalieé sur substrat d'arséniure de gallium. Les zones techniques et industrielles, notamment dans le domaine des ordinateurs rapides et des télécommunications, de fréquences de commutation élevées et d'une consommation de plus en plus faible, tendent à imposer les composants semiconducteurs réalisés sur substrat d'arséniure de gallium (GaAs) au détriment des composants obtenus par la technologie classique dite HOS (Métal-Oxyde-Semiconducteur), du moins lorsque la fréquence de fonctionnement dépasse 500 MHz environ. C'est pourquoi le problème technique à résoudre par tout circuit intégré sur substrat de GaAs est d'offrir des performances toujours améliorées en gain, bruit, consommation et surface active, sur une bande de fréquence aussi large que possible.En ce sens, les amplificateurs large bande, destinés en particulier à augmenter la sensibilité des diviseurs de fréquence intégrés sur GaAs, décrits dans la "Revue annuelle des Laboratoires d'Electronique et de Physique appliquée, 1983, pp 16-17", donnent un exemple de solution apportée au problème technique posé ci-dessus.Ces amplificateurs connus de l'état de la technique sont constitués par un ou plusieurs étages amplificateurs large bande réalisés sur substrat d'arséniure de gallium et comportent une cellule amplificatrice de base composée d'un transistor de charge disposé en série avec un transistor t ificateur. La présence d'une charge active à transistor associé à une résistance, dans la cellule amplificatrice de base permet notamment de limiter le gain à basse fréquence et donc à réduire le bruit en 1/f, toujours présent dans les composants sur GaAs, qui pourrait saturer les étages amplificateurs de sortie dans le cas d'un amplificateur constitué par une pluralité de tels étages amplificateurs montés en cascade. Les caractéristiques techniques typiques des amplificateurs réalisés sur substrat d'arséniure de gallium sont actuellement les suivantes Bande passante de 0,1 à 3,5 GHz Gain = 7 dB Bruit Consommation = 600 mW Surface active > 0,5 mm2 Il faut également signaler que les amplificateurs connus sont réalisés à l'aide de transistors à effet de champ à appauvrissement qui sont tels que le canal du transistor est complètement ouvert lorsque la tension grille-source VGS est nulle, le courant drain-source 1D55 étant alors maximum. Ces transistors, également connus sous-le terme de N-ON (Normally ON), présentent cependant l'inconvénient d'exiger des tensions de polarisation de grille négatives, ce qui impose, dans les circuits d'application, au moins deux sources de tension continue, l'une positive, l'autre négative. Le problème technique général à résoudre par l'ob- jet de la présente demande est de proposer un amplificateur large bande réalisé sur substrat d'arséniure de gallium, comportant une cellule amplificatrice composée d'un transistor de charge disposé en cascade avec un transistor amplificateur, amplificateur grâce auquel on obtienne qu'il fonctionne à l'aide d'une seule source de tension continue de polarisation, avec les avantages industriels que cela comporte, tout en assurant des performances au moins équivalentes à celles des amplificateurs connus. La solution à ce problème technique général consiste en ce que l'amplificateur selon l'invention comporte également une cellule de polarisation dudit transistor amplificateur, comprenant au moins un transistor de décalage, le transistor amplificateur et le transistor de décalage étant des transistors à effet de champ du type à enrichissement. Les récents transistors à effet de champ à enrichissement, appelés aussi N-OFF (Normally-OFF), sont décrits par exemple dans la "Revue annuelle des Laboratoires d'Electronique et de Physique appliquée, 1984, pp 30-32". Ce sont des transistors dont le canal est fermé lorsque la tension grille-source VGS est nulle, et dont le courant drainsource IDS augmente à mesure que la tension VGS, positive, augmente. Comme on le verra plus loin en détail, cette propriété particulière permet, en effet, de n'utiliser qu'une seule source de polarisation au lieu de deux, l'ajustement de la tension de polarisation du transistor amplificateur à la valeur voulue étant obtenue à l'aide du(des) transistor(s) de décalage. Il s'ensuit alors toute une série d'avantages remarquables quant aux caractéristiques de l'amplificateur selon l'invention. Ces avantages concernent, en particulier, la consommation car le courant de saturation drain-source 1DSS est de 5 à 7 fois plus faible pour un transistor N-OFF que pour un transistor N-ON. De plus, du fait de la transconductance par unité de largeur de canal relativement plus grande pour les transistors N-OFF, on peut obtenir, d'une part, une fréquence de coupure plus élevée, et, d'autre part, une surface active plus petite pour un gain équivalent. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est un schéma d'un amplificateur conforme à l'invention. La figure 2 donne les caractéristiques courant-tension d'un transistor à effet de champ à enrichissement. La figure 1 montre le schéma d'un amplificateur large bande réalisé sur substrat d'arséniure de gallium, comportant une cellule amplificatrice 10 composée d'un transistor de charge T1, disposé en cascade (du point de vue des petits signaux) avec un transistor amplificateur T2. Le transistor de charge T1 et la résistance de grille R1 constituent une charge active qui a pour but de limiter vers les basses fréquences la bande passante de l'amplificateur de la figure 1, ceci afin d'éliminer le bruit en 1/f, la fréquence de coupure inférieure étant donnée par 1/R1 (Cgs)1 où (Cgs)t est la capacité interne grille-source du transistor de charge TI. La polarisation de la grille de ce transistor T1 est fixée par le pont diviseur 11 de tension auquel est reliée la résistance R1. Comme l'indique la figure 1, l'amplificateur, objet de la présente demande, comporte également une cellule de polarisation 20 dudit transistor amplificateur T2, comprenant ici deux transistors de décalage T3 et T4 disposés en cascade, le transistor amplificateur T2 ainsi que les transistors de décalage T3 et T4 étant des transistors à effet de champ du type à enrichissement. Sur la figure 2 qui donne les caractéristiques courant-tension de tels transistors, on observe que ceux-ci exigent des tensions de polarisation grille-source positives, contrairement aux transistors à effet de champ du type à appauvrissement. A titre.d'exemple, on a pris sur la figure I le cas d'un transistor T2 polarisé à VGS = 0,5 V. L'amplificateur représenté à la figure 1 ne nécessite donc qu'une seule tension d'alimentation prise ici égale à 5V. La figure 1 montre comment, à partir de cette tension continue de 5V, il est possible de polariser la grille du transistor amplificateur T2 à 0,5V. Le diviseur de tension 11 amène d'abord à environ 2,5 V la grille du transistor de charge T1, qui fonctionne à VGS = OV, de sorte que la grille du transistor T3 est également polarisée à 2,5 V. Puis, ledit transistor T3 produit un premier décalage de 0,5 V entre sa grille et sa source, ce qui porte la grille du transistor T4 à 2 V, lequel transistor T4 produit à son tour un deuxième décalage de tension entre grille et source, cette dernière se trouvant polarisée à 1,5 V. Enfin, une diode D introduit une chute de 1 V. La cathode de la diode D, portée à 0,5 V, est reliée à la grille du transistor amplificateur T2 par une boucle de contre-réaction 12 comportant, dans l'exemple de la figure 1, une résistance R et une inductance L. Des valeurs typiques pour les composants représentés sur le schéma de la figure 1 sont les suivantes R1 = 40 kQ R3 = 1 kQ R4 = 300 Q R = 370 Q L = 6,8 nH Largeur de canal du transistor T2 = 300 pm Largeur de canal du transistor T3 = 82 pm Largeur de canal du transistor T4 = 80 pm Dimensions de la diode D = 15 pm x 40 un Quant au transistor de charge T1, il peut, au choix, être du type à appauvrissement ou du type à enrichissement, sachant que les transistors à enrichissement ont une capacité résiduel le grille-source Cgs plus élevée que les transistors à appauvrissement : 0,42 pF contre 0,36 pF.L'amplificateur dont le transistor de charge T1 est du type à enrichissement présentera donc une fréquence de coupure basse fréquence plus faible qu'avec un transistor de charge à appauvrissement. Toutefois, le gain à basse fréquence n'étant pas complètement coupé, le bruit en 1/f des transistors à enrichissement sera plus élevé que dans le cas des transistors à appauvrissement. Dans l'hypothèse où le transistor de charge T1 est du type à appauvrissement, celui-ci aura une largeur de canal de 104 un. Outre le fait qu'il n'exige qu'une seule tension de polarisation, l'amplificateur montré à la figure 1 présente beaucoup d'autres avantages remarquables. Tout d'abord, du fait que le transistor amplificateur T2 est du type à enrichissement, le gain de l'amplificateur de la figure 1 est sensiblement plus grand que lorsque ledit transistor amplificateur T2 est du type à appauvrissement. En effet, le gain G est donné par G = -gm2 x Rc où gm2 est la transconductance du transistor T2 et Rc la charge définie par 1/(gds1+gds2), gdsi tnt la conductance du transistor Ti.Or, la transconductar. gm des transistors à enrichissement est plus élevée d'environ 40% que celle des transistors à appauvrissement (230 m Siemens/mm contre 160) et la conductance des transistors à enrichissement est 1,5 fois plus faible que celle des transistors à appauvrissement (pour une largeur de canal de 300 un, 1/gds vaut 450 Q pour des transistors à enrichissement et 310 Q pour des transistors à appauvrissement). Ainsi, le gain de l'amplificateur selon l'invention est globalement beaucoup plus élevé que celui des amplificateurs actuellement connus réalisés avec des transistors à appauvrissement. En outre, on peut également montrer que la fréquence de coupure haute fréquence fc de l'amplificateur représenté à la figure 1 est plus grande que celle des amplificateurs ne comprenant que des transistors à appauvrissement. Cette fréquence de coupure est donnée par la relation. fc = gm2/2BCgs2 gm2 étant plus grande de 40% pour les transistors à enrichissement, fc est aussi plus grand, même si Cgs2 est environ 10% plus élevé que pour les transistors à appauvrissement. De même, la comparaison de consommation est nettement à l'avantage des circuits à transistors à enrichissement. En effet, le courant de saturation IDSS de ce type de transistors vaut de l'ordre de 40 mA/pm, soit plus de 7 fois moins grand que le courant de saturation des transistors à appauvrissement. Enfin, les performances par unité de largeur de canal étant sensiblement supérieures pour des transistors à en richissenent que pour les transistors à appauvrissement, il est possible de réaliser des circuits comportant des transistors à enrichissement sur des surfaces de substrat beaucoup plus faibles, comme l'indique le tableau récapitulatif des caractéristiques obtenues pour un amplificateur conforme au schéma de la figure 1 Bande passante de 0,05 à 5 GHz Gain > 6 dB Bruit Consommation = 80 mW Surface active = 0,17 mm2 Conformément à la figure 1, la sortie de l'amplificateur peut être pris en S1 ou en 52. La sortie en S1 permet d'obtenir davantage de puissance tandis que la sortie en 52 permet de mettre en cascade plusieurs amplificateurs du type de celui de la figure 1 sans préjudice pour la polarisation continue. REVENDICATIONS : 1. Amplificateur large bande réalisé sur substrat d'arséniure de gallium, comportant une cellule amplificatrice (10) composée d'un transistor de charge (T1) disposé en série avec un transistor amplificateur (T2), caractérisé en ce qu'il comporte également une cellule de polarisation (11) dudit transistor amplificateur (T2), comprenant au moins un transistor de décalage (T3,T4), le transistor amplificateur (T2) et le transistor de décalage (T3,T4) étant des transistors à effet de champ du type à enrichissement. 2. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit transistor de charge (T1) est un transistor à effet de champ du type à appauvrissement. 3. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit transistor de charge (T1) est un transistor à effet de champ du type à enrichissement. 4. Amplificateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la sortie de ladite cellule de polarisation (11) est reliée à l'entrée du transistor amplificateur (T2) par une boucle de contre-réaction résistive (12). 5. Amplificateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite cellule de polarisation (11) est constituée par deux transistors de décalage (T3,T4) disposés en cascade.