Brevet FR2625052A1 — publié le 19890623

I 2625052 Description CIRCUIT HYPERFREQUENCES COMPRENANT AU MOINS UN TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP CHARGEu L'invention concerne un circuit hyperfréquences com- prenant au moins un transistor à effet de champ, constitué, en contact avec une zone active, d'électrodes de grille, de drain et de source, l'électrode de grille recevant un signal d'en- trée hyperfréquences, et les électrodes de source et drain fournissant des signaux de sortie hyperfréquences, les élec- trodes de grille et de drain étant en outre munies de circuits de polarisation et de charge, et l'électrode de source étant reliée à la masse à travers une charge. L'invention trouve son application dans la réalisa- tion d'étages amplificateurs ou oscillateurs dans le domaine des hyperfréquences. Un circuit hyperfréquences tel que décrit dans le préambule est connu de la publication intitulée "A fully- Integrated, O.5.W., 2 to 6 GHz MMIc amplifier, par B.MAOZ et alii, lors de "17th European Microwave Conference, Ergife Palace Hotel, Rome, Italy, 7th - 11th September 1987", dans wConference Proceedings Microwave exhibitions and Publishers LTD, pp.261-266". Cette publication décrit un amplificateur intégré, formé de deux étages. Chaque étage comprend un transistor à effet de champ, à grille interdigitée. La grille est donc for- mée de plusieurs doigts réunis à une extrémité à un plot de contact de grille, de grande surface, et sur lequel est appli- qué à la fois le signal hyperfréquences d'entrée de l'étage et un circuit de polarisation de type LC. Le drain est également formé de plusieurs doigts, alternés avec les doigts degrille, réunis à leur extrémité opposée au plot de grille, à un plot de contact de drain, de grande surface, sur lequel est appli- qué un circuit de polarisation de type Le et est prélevé le 2 2625052 signal hyperfréquences.de sortie de l'étage. La source est directement portée à la masse. Tel qu'il est conçu, cet amplificateur admet, pour chaque étage, un gain maximal qui est inférieur à celui d'un - transistor non chargé identique à celui qui le constitue. La présente invention a pour but principal de four- nir un circuit comprenant au moins un transistor à effet de champ, chargé, présentant, au contraire un gain maximal qui est supérieur à celui d'un transistor identique non chargé. Selon l'invention ce but est atteint au moyen d'un circuit tel que décrit dans le préambule et caractérisé en ce que, les signaux hyperfréquences sont appliqués ou disponibles à une extrémité de leurs électrodes respectives, lesquelles sont par ailleurs fermées, à leur seconde extrémité, par leurs circuits de polarisation ou de charge respectifs. Le circuit selon l'invention présente alors pour chaque étage à transistor à effet de champ chargé, un gain supérieur à celui d'un même transistor non chargé. En outre le circuit selon l'invention peut fonc- tionner à de très hautes fréquences, et sur une large bande de fréquences. L'invention sera mieux comprise au moyen de la des- cription suivante illustrée par les figures schématiques annexées dont: la figure la qui représente, vu du dessus, un étage amplificateur selon l'invention, comprenant un transis- tor à effet de champ à électrodes de grille et drain interdi- gitées; - la figure lb qui représente le schéma équivalent à l'étage amplificateur de la figure la; - la figure lc qui représente, en trait plein, sur la courbe A, le gain du transistor chargé, dans une mise en oeuvre de l'étage de la figure la, et en trait discontinu, sur la courbe B, le gain du même transistor lorsqu'il n'est pas chargé; 3 2625052 - la figure 2a qui représente, vu du dessus, un étage amplificateur selon l'invention, comprenant un transis- tor à effet de champ à un doigt de grille; - la figure 2b qui représente le schéma équivalent & l'étage amplificateur de la figure 2a; - la figure 3, qui représente une variante de l'étage amplificateur selon l'invention. Le transistor à effet de champ chargé réalisé selon l'invention, peut être utilisé pour mettre en oeuvre des éta- ges amplificateurs, ou bien des étages oscillateurs, ou encore des mélangeurs, des limiteurs de tension, etc, tant en basses fréquences qu'en hyperfréquences. Les caractéristiques pour passer d'un type de cir- cuit à l'autre sont connues par ailleurs de l'homme du métier et ne font pas, à proprement parler, partie de l'invention. C'est pourquoi, il sera décrit ici à titre d'exemple, seule- ment des étages amplificateurs. Tel que représenté sur la figure la, un étage amplificateur réalisé selon l'invention, comprend d'abord un transistor à effet de champ. Ce dernier est constitué d'une zone active, par exemple de type de conductivité n, réalisée en surface d'un substrat semi-isolant. Sur cette zone active, sont réalisées une électrode de grille G, ayant la forme de deux doigts réunis à une extrémité 1' et connectés par cette extrémité à un plot PG de grande surface, et une électrode de drain en forme de doigt, disposée entre les deux doigts de grille et reliée par l'extrémité 5' opposée au plots PG, à un plot PD de grande surface. Sur la zone active, sont également réalisés deux plots de source Ps, de forme alon- gée, disposés de part et d'autre des doigts de grille entre les points 2 et 4, et entre les points 2' et 4' respective- ment. Pour mettre en oeuvre la réalisation d'un tel transistor, on lira avec profit la revue 'ACTA ELECTRONICA, Vol. 23, 2, 1980 p.99-109; Vol. 23, 1, 1980 p. 64; Vol. 23, 4 2625052 2, 1980 p. 116-117; Vol. 23, 2, 1980, P. 123-124; et pour un enseignement général concernant les transistors à effet de champ en arséniure de gallium l'ensemble du Vol. 23, 1980 de cette revue. Les doigts de grille peuvent être par exemple des électrodes de type Schottky, et les source et drain des- élec- trodes de type ohmique. Les performances d'un transistor à effet de champ dépendent essentiellement de sa largeur de grille notée L, et de sa longueur de grille notée Q. Mais dans les circuits hyperfréquences cités plus haut, comme dans les amplificateurs, la principale caracté- ristique du circuit est son gain, et le principal problème à résoudre est l'obtention d'un gain aussi grand que possible, dans une bande de fréquence aussi large que possible. Le gain d'un transistor à effet de champ peut être calculé à partir des paramètres Sij qui sont les coeffi- cients de réflexion aux entrées et sorties, ou les coeffi- cients de transfert entre les entrées et sorties du transis- tor considéré comme un quadripole. On lira à ce sujet 'ACTA ELECTRONICA Vol. 23, 2, 1980 pp. 137-140. On définit également un coefficient de stabilité K du quadripole, qui est exprimé dans la relation 1 du tableau I. Si K > 1, le transistor est dit innconditionnement stable; dans le cas contraire, o k potentiellement instable. Lorsque K > 1, on définit le gain maximal disponi- ble (en abrégé MAG) qui est exprimé dans la relation 2 du tableau.I, sinon on définit le gain stable maximal (en abrégé MSG) qui est exprimé dans la relation 3 du tableau I. La figure lc montre, pour la forme de transistor à effet de champ représenté sur la figure la, une évolution du gain G maximal du transistor non chargé (courbe B en traits discontinus), en fonction de la fréquence F. 2625052 La première partie de la courbe B notée B1) repré- sente la partie o K courbe la partie o K > 1 (KAG). Si l'on considère un étage amplificateur tel que celui décrit dans l'état de la technique 'Conference Procee- dings 1987 pp. 261-266' déjà cité, étage amplificateur compre- nant un transistor à effet de champ dont la grille et le drain sont respectivement polarisés à travers une inductance appli- quée sur leur plot de contact de grande surface, inductance par ailleurs reliée à la masse à travers une capacité d'iso- lement, il s'avère que le gain maximal disponible (MAG) est inférieur au gain du transistor non chargé, et que le gain stable maximal (MSG) est seulement égal. Donc, si l'on traçait la courbe de gain maximal du transistor de la figure la, sur la figure lc, en appliquant pour réaliser les circuits de polarisation, l'enseignement du document cité, on obtiendrait une portion de courbe B1 identi- que (cas o K B'2 située sous la courbe B2 déjà représentée, et plus rappro- chée de l'axe portant les fréquences (cas o K > 1 et MAG in- férieur à celui du transistor non chargé). Les courbes B de la figure lc montrent bien que le circuit connu du document cité ne peut fournir un gain supé- rieur à celui d'un transistor identique non chargé. Au contraire, le circuit selon l'invention permet d'obtenir un gain de l'étage amplificateur qui est supérieur au gain de ce même transistor non chargé. De plus, le circuit selon l'invention permet d'obtenir une telle augmentation de gain dans le domaine des très hautes fréquences (généralement supérieures 20 ou 22 GHz) et sur une très large bande de fré- quences. Enfin le circuit ainsi réalisé selon l'invention pré- sente une meilleure adaptation de l'entrée et de la sortie que le circuit connu de l'état de la technique. Selon l'invention, on augmente le MAG de l'étage par la prise en compte des caractéristiques intrinsèques de 6 2625052 la grille (voir à ce sujet ACTA ELECTRONICA Vol. 23, 1, 1980, pp. 78-79), chargée par l'inductance connectée à son extré- mité opposée au plot de grille. Le but atteint par le circuit selon l'invention est une augmentation du coefficient de ré- flexion Sll à l'entrée du circuit considéré comme un quadri- pole. L'augmentation de S11 entraîne une diminution du coeffi- cient de stabilité K, ce coefficient intervenant directement dans la relation (2) du tableau I donnant le gain MAG. En définissant S21 comme le paramètre de transfert de l'entrée vers la sortie du quadripole, et S12 comme le paramètre de transfert de la sortie vers l'entrée, il apparait dans cette relation (2) que: - rapport S21/S12 constant, la diminution de la valeur de K fait augmenter la valeur du MAG. Or, lorsque deux circuits chargés différemment, sont néanmoins réalisés à partir d'un transistor identique, le rapport S21/S12 reste identique de l'un à l'autre circuit. Donc l'obtention d'une dimunution de K permet d'augmenter le MAG, et donc d'obtenir les courbes A1 et A2 sur la figure lc. Les buts de l'invention sont atteints au moyen du dispositif représenté sur la figure la. Le signal d'entrée hyperfréquences est appliqué au point 1 sur le plot de grille PG. Le signal de sortie hyper- fréquences est disponible au point 5 sur le plot de drain PD. Selon l'invention, les extrémités 6 de la grille opposées au plot PG sur lequel est appliqué le signal d'en- trée hyperfréquences, ne sont plus laissées en circuit ouvert comme selon l'art antérieur, non.plus que l'extrémité 3 du drain opposée au plot PD sur lequel est disponible le signal de sortie hyperfréquences, nais sont au contraire fermées sur des charges inductives, de manière à compenser les capacités d'entrée-sortie du transistor. De cette manière, on utilise la structure dis- tribuée de la grille pour obtenir le dispositif selon 7 26 25 0 5 2 l'invention, lequel présente un MAG supérieur à celui d'un transistor identique non chargé. Tel que représenté sur la figure la, les extrémités 6 des deux doigts de grille sont réunies, par exemple par une interconnexion réalisée à un second niveau, à la connexion 5' qui est établie entre le doigt de drain et le plot de drain PD. Cette extrémité 6 est fermée sur l'inductance L21, à l'autre extrémité de laquelle est appliquée au point 7 la ten- sion continue de polarisation VG. De plus, au point 7, l'in- ductance 21 est reliée à la masse à travers une capacité d'isolement C21. L'extrémité 3 du drain, opposée au plot PD, est fermée, par exemple par une interconnexion réalisée à un se- cond niveau, sur l'inductance L22, à l'autre extrémité de laquelle est appliquée, au point 8, une tension continue de polarisation VD. De plus, au point 8, l'inductance L22 est reliée à la masse à travers une capacité d'isolement C22. La structure de la figure la permet d'appliquer di- rectement les tensions de polarisation de grille et de drain pour faire fonctionner le dispositif, sans que d'autres élé- ments de circuit soient nécessaires. Les inductances L21 et L22 peuvent être remplacées pour différentes applications par des lignes microrubans ou des circuits comportant des lignes microrubans associées à des lignes ouvertes ou court-circuitées. Enfin, les extrémités 2 et 2' des plots de source Ps sont reliées entre elles, par exemple par une intercon- nexion à un second niveau, et sont respectivement fermées sur une impédance Z23 et Z'23 placées entre les points respecti- vement 2 et 2' et la masse. Les charges Z23 et Z'23 seront avantageusement égales, et de la forme de la relation (4) du tableau I. Si Y = 0, l'impédance Z est purement résistive. Si Y 0.cette impédance comprend une inductance. Le signal hperfréquences de source peut être prélevé soit au point 4 soit en 4', aux 8 2625052 extrémités opposées des plots de source PS. Le circuit équivalent au dispositif de la figure la est représenté sur la figure lb. Chacun des deux doigts de grille forme avec le drain et la source, un transistor, res- pectivement T20 et T10. Les doigts de grilles forment une structure distri- buée, représentée par les résistances en série, R'21 entre lesquelles les grilles sont raccordées à intervalles régu- liers. Une extrémité de la ligne de grille forme le point 1 o est appliqué le signal d'entrée hyperfréquences, et l'autre extrémité 6 est fermée sur l'inductance L21 portée à la masse à travers la capacité C21. La tension continue de polarisation VG est appliquée entre L21 et C21 au point 7. Le drain forme aussi une.structure distribuée, re- présentée par des lignes en série L'22, entre lesquelles les drains des transistors T20 et T10 sont raccordées à interval- les réguliers. Le signal hyperfréquences de sortie est dispo- nible à l'extrémité 5 de la ligne de drain ainsi formée et l'autre extrémité 3 est fermée sur une inductance L22 portée à la masse à travers la capacité C22. La tension continue VD de polarisation est appliquée au point 8 entre L22-et C22. La source forme aussi une structure distribuée, re- présentée par des lignes en séries L'23, entre lesquelles les sources des transistors T20 et T10 sont raccordées à inter- valles réguliers. Un signal hyperfréquences de source peut être prélevé au point 4 à une extrémité de la ligne de source ainsi formée. L'autre extrémité 2 est fermée sur l'impédance Z23 par ailleurs portée à la masse. L'étage comportant un transistor à grille et drain interdigités sur lequel les circuits de polarisation et de charge sont appliqués selon la présente invention, constitue un amplificateur hyperfréquences et large bande. Dans un exemple de réalisation, l'étage selon l'in- vention, tel que montré sur la figure la, est réalisé sur un substrat en arséniure de gallium (GaAs) semi-isolant. La zone 9 2625 0 5 2 active est de type de conductivité n. Le tableau II donne des valeurs des éléments pour la mise en oeuvre de cet étage amplificateur dans cet exemple. Avec un étage formé des éléments conformes au tableau II et la structure de la figure la, on a obtenu le gain représenté sur les courbes A1 et A2 de la figure lc. Entre 10 et 30 GHz, on constate une augmentation du gain MAG de 2 dB à 25 GHz, ce qui correspond à une augmentation de la largeur de la bande passante d'environ 3 GHz. Le transistor utilisable pour réaliser le circuit selon l'invention n'est pas limité au transistor représenté sur la figure-la. On peut utiliser d'une façon générale un transistor à N doigts de grille entre lesquels sont disposés (N-1) doigts de drain. Le circuit équivalent comprend alors autant de tran- sistors T10, T20.... TNO que de doigts de grille, formant une structure distribuée du même type que celui de la figure lb, mais dont les lignes de drain, grille et source comportent chacune un plus grand nombre d'éléments. D'une façon générale, ces structures interdigitées sont choisies pour le fonctionne- ment en hyperfréquences. Pour un fonctionnement à des fréquences plus bas- ses, on peut utiliser aussi un transistor à un doigt de gril- le, tel que représenté sur la figure 2a. Le transistor de la figure 2a comprend, formés sur la zone active, un doigt de grille relié à une extrémité 1' à un plot de contact PG de grande surface sur lequel est appliqué en 1 le signal d'entrée hyperfréquences, et de part et d'autre du doigt de grille un plot de source PS et un plot de drain PD de formes allon- gées parallèlement au doigt de grille, respectivement entre les points 2 et 4, et 3 et 5. Selon l'invention la grille est fermée à son extré- mité 6 opposée au plot PG, sur un circuit LC formé de L11 et Cll, tel que déjà décrit dans le cas des structures interdigi- tées. 2625052 Le signal de sortie hyperfréquences de l'étage est prélevé au point 5 du plot de drain PD opposé à la position du plot de grille PG. La polarisation de drain est appliquée à l'autre extrémité 3 du plot de drain PD, par l'intermé- diaire d'un circuit LC comprenant L12 et C12, comme déjà dé- crit dans le cas de la structure interdigitée. Le signal de source hyperfréquences peut être pré- levé au point 4 du plot de source.PS opposé à la position du plot de grille PG. Une charge Z du même type que déjà décrit dans le cas des structures interdigitées peut être appliquée au point 2 du plot Ps, et par ailleurs reliée à la masse. Le circuit de la figure 2a admet alors pour schéma équivalent, le circuit représenté sur la figure 2b. On retrou- ve de façon simplifiée par rapport au schéma de la figure lb, une ligne de drain comprenant des lignes L'12 entre lesquelles est raccordé le drain du transistor équivalent T,ligne de drain chargée à une extrémité 3 par le circuit L12, C12 et polarisée par la tension continue VD et fournissant à l'au- tre extrémité 5 le signal de sortie hyperfréquences. On re- trouve aussi une ligne de grille comprenant des résistances R'11 entre lesquelles est raccordée la grille du transistor équivalent T, ligne de grille chargée à une extrémité 6 par le circuit L11, Cll et polarisé par la tension continue VG, et recevant à l'autre extrémité 1 le signal d'entrée hyper- fréquences. On retrouve enfin une ligne de source comprenant des lignes L'13 entre lesquelles est raccordée la source du transistor équivalent T, ligne de source chargée à une extré- mité 3 par la charge Z13 et délivrant à l'autre extrémité 4 le signal hyperfréquences de source. Dans une variante du dispositif selon l'invention, représentée sur la figure 3, le transistor comprend, formée sur la zone active une électrode de drain allongée entre les points 3 et 3', et reliée en son milieu à un plot de contact de grande surface PD sur lequel est prélevé le signal de sortie hyperfréquences de l'étage; une électrode de grille en 11 2625052 forme de doigt qui s'étend parallèlement au drain entre les poits 6 et 6', et est relié symétriquement, aux points 1' et 1 à un plot de contact de grille PG de grande surface sur lequel est appliqué le signal d'entrée hyperfréquences au point 1; et une électrode de source qui s'étend parallèlement à la grille et du côté opposé au drain, entre les points 4 et 4' chacun de ces points étant relié symétriquement à un plot de source PS. Pour un tel dispositif, les moyens de l'invention seront mis en oeuvre en appliquant un circuit de polarisation de drain L32, C32 aux extrémités 3 et 3' de l'électrode de drain, la tension continue de polarisation de drain VD étant appliquée au point commun de l'inductance L32 et de la capa- cité C32; en appliquant un circuit de polarisation de grille- L31, C31 aux extrémités 6 et 6' de l'électrode de grille, la tension continue de polarisation de source VG_étant appli- quée au point commun de l'inductance L31 et de la capacité C31; et en portant la source à la masse à travers les charges Z33 appliquées aux points 2 et 2' Pour tous ces montages, d'une façon générale l'in- vention permet d'obtenir les avantages suivants: - le gain maximal de l'étage est augmenté sur une large bande de fréquences; - la fréquence de coupure de l'étage n'est plus limi- tée par les pertes résistives de la grille; - les performances des amplificateurs sont améliorées et ceci particulièrement en hautes fréquences; - les circuits de polarisation de grille et de drain sont intégrés mondithiquement avec le transistor; - une meilleure adaptation de l'entrée et de la sor- tie du transistor est réalisée; - l'invention n'est pas limitée aux transistors dé- crits plus haut; elle peut être appliquée à des transistors de formes différentes réalisés au moyen de technologies diverses, tels que des transistors 12 2625052 à effet de champ du type MESFET ou HEMT, réalisés aussi bien en technologie hybride que monolithique- ment intégrée. *13 2625052 TABLEAU I 2 2 2 K = "+1S5' S22-S12 S211 -1Sii1 iS221)/21S12l1.S211.(1) S21 KAG =K K2-1 (-1 2) S21 MSG = | - E (3) Z = R + j Y (4) TABLEAU II 2 = 0,5 pm en moyenne (0,2 pm Z23 = Z'23 = 0 L22 = 0,5 nH L21 = 2,5 nH C22 = C21 = 15 pF 14 2625052 Revendications 1. Circuit hyperfréquences comprenant au moins un transistor à effet de champ, constitué, en contact avec une zone active, d'électrodes de grille, de drain et de source, l'électrode de grille recevant un signal d'entrée hyperfré- quences, et les électrodes de source et drain fournissant des signaux de sortie hyperfréquences, les électrodes de grille et de drain étant en outre munies de circuits de polarisation et de charge, et l'électrode de source étant reliée à la masse à travers une charge, caractérisé en ce que, les signaux hyper- fréquences sont appliqués ou disponibles à une extrémité de leurs électrodes respectives, lesquelles sont par ailleurs fermées à leur seconde extrémité par leurs circuits de polari- sation ou de charge respectifs. 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel le transistor à effet de champ est constitué d'une électrode de grille à un doigt de part et d'autre duquel sont réalisées l'électrode de source et l'électrode de drain, l'électrode de grille étant reliée par une de ses extrémités à un plot de contact de grande surface, caractérisé en ce que le signal d'entrée hyperfréquence est appliqué sur le plot de grille et l'autre extrémité du doigt de grille est fermée sur le circuit de polarisation et de charge de grille, en ce que les signaux de sortie hyperfréquences sont prélevés à l'extrémité des électrodes de source et drain opposée longitudinalement à la position du plot de grille, et en ce que les secondes extré- mités de ces électrodes de source et drain sont respectivement fermées sur une charge par ailleurs reliée à la masse et sur le circuit de polarisation et de charge de drain. 3. Circuit selon la revendication 1, dans lequel le transistor à effet de champ est constitué d'une électrode de grille à N doigts disposés parallèlement, d'une électrode de drain à (N-1) disposés parallèlement chacun entre deux doigts de grille, et d'une électrode de source comportant deux con- tacts disposés de part et d'autre de l'ensemble grille-drain, 2625052 les extrémités dites premières extrémités des doigts de grille étant reliées entre elles et à un plot de contact de grande surface, les extrémités dites premières extrémités des doigts de drains, longitudinalement opposées à la position du plot de contact de grille, étant reliées entre elles et à un plot de contact de grande surface, caractérisé en ce que le signal d'entrée hyperfréquence est appliqué sur le plot de grille, et les autres extrémités dites secondes extrémités des doigts de grilles sont reliées entre elles et fermées sur le circuit de polarisation et de charge de grille, en ce que le signal de sortie hyperfréquences de drain est prélevé sur le plot de drain, et les autres extrémités dites secondes extrémités des doigts de drain sont reliées entre elles et fermées sur le circuit de polarisation et de charge de drain et en ce que le signal de sortie hyperfréquences de source est prélevé sur l'une ou l'autre électrode de source à son extrémité dite pre- mière extrémité opposée au plot de grille et les autres extré- mités dites secondes extrémités sont reliées entre elles et fermées sur une charge par ailleurs reliée à la masse. 4. Circuit selon la revendication 3 caractérisé en ce que la charge appliquée sur lesdites secondes extrémités des électrodes de source est formée de deux charges symétri- ques. 5. Circuit selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que les circuits de polarisation et de charge de grille et drain sont formés chacun d'une inductance portée à la masse à travers une capacité d'isolation en conti- nue, et en ce qu'une tension continue de polarisation respec- tivement de grille et de drain est appliquée au point commun de l'inductance et de la capacité. 6. Circuit selon l'une des revendications 2 à 5, ca- ractérisé en ce que les circuits de polarisation et de charge sont choisis pour former respectivement avec les structures distribuées des électrodes sur lesquelles ils sont appliqués, une ligne de grille, une ligne de drain et une ligne de 16 2625052 source, réalisant ainsi une structure distribuée, qui comporte autant d'éléments actifs que le transistor du circuit hyper- fréquences comporte de doigts de grille. 7. Circuit selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisé en ce qu'il est monolithiquement intégré sur un substrat semi-isolant en arséniure de gallium (GaAs) et en ce que la zone active est de type de conductivité n. 8. Circuit selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'électrode de grille du transistor à effet de champ est de type Schottky et les électrodes de source et drain des con- tacts obhiques.