Brevet FR2644648A1 — publié le 19900921

Elément amplificateur à semi-conducteur à transistor à effet de champ de type & rétroaction ". Cette invention concerne un élément amplificateur à semi-conducteur T E C (Transistor à Effet de Champ) ainsi nommé dans la suite T E C équipé d'un circuit de rétroaction pour circuit intégré monolithique. Plus particulièrement, l'invention concerne un élément amplificateur à semiconducteur T E C de type à rétroaction présentant une caractéristique de grande largeur de bande de fréquence et conçu pour être utilisé dans des systèmes de communications tels que le radar. Dans les systèmes de communications modernes, les T E C AsGa (Transistor à Effet de Champ à l'Arséniure de Gallium) sont très largement utilisés comme éléments semi-conducteurs pour des amplificateurs micro-ondes qui sont à faible bruit et à gain élevé. En particulier ces dernières années, ce type d'amplificateur large bande utilisant des T E C a été encore développé sous la forme de circuits intégrés monolithiques AsGa (Arséniure de-Gallium). Dans ce développement, comme les résistances peuvent être facilement produites en AsGa, un amplificateur large bande peut être réalisé en formant sur le T E C AsGa une boucle de rétroaction négative à résistance. La présente invention a donc pour but de créer un élément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction qui présente une caractéristique de fréquence donnant un signal de sortie élevé et un gain plat sur une large bande de fréquence, car l'impédance d'un circuit de rétroaction ne dépend pas de la fréquence. A cet effet, l'invention concerne un élément amplificateur à semiconducteur à transistor à effet de champs de type à rétroaction, élément caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un élément de transistor à effet de champ (T E C) comprenant un certain nombre de cellules de T E C parallèles constituées chacune d'un substrat semi- conducteur et d'électrodes de source, de drain et de grille montées sur ce substrat; (b) une électrode à conducteurs de drain partant de l'électrode de drain de chaque cellule de T E C et disposée sur ce substrat d'un côté de l'élément semi-conducteur T E C; (c) une électrode à conducteurs de grille partant de l'électrode de grille de chaque cellule de T E C et disposée sur le substrat de l'autre côté de l'élément semi-conducteur T E C; et (d) un circuit de rétroaction comprenant au moins deux lignes de liaison et au moins un élément passif, ce circuit étant branché à l'électrode à conducteurs de drain et à l'électrode à conducteurs de grille, et ce circuit de rétroaction étant placé entre les électrodes à conducteurs de drain et de grille, ainsi qu'entre les cellules de T E C, de manière.à réduire au minimum la longueur totale des lignes de liaison. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le circuit de rétroaction comprend les lignes de liaison et une résistance branchée en série avec celles-ci; le circuit de rétroaction comprend les lignes de liaison, une résistance et un condensateur, tous ces éléments étant branchés en série les uns avec les autres; l'élément amplificateur à semiconducteur T E C de type à rétroaction comprenant en outre un circuit d'entrée branché à l'électrode à conducteurs de grille, et un circuit de sortie branché à l'électrode à conducteurs de drain; le circuit de rétroaction comprend les lignes de liaison et une résistance branchée en série avec celles-ci; le circuit de rétroaction comprend les lignes de liaison, une résistance et un condensateur, tous ces éléments étant branchés en série les uns avec les autres; que chacune des électrodes à conducteurs de drain et de grille présente ne configuration générale en forme de peigne; le circuit de rétroaction comprend les lignes de liaison et une résistance branchée en série avec celles-ci; le circuit de rétroaction comprend les lignes de liaison, une résistance et un condensateur, tous ces éléments étant branchés en série les uns avec les autres; élément amplificateur à semi-conducteur T E C comprenant en outre un circuit d'entrée branché à l'électrode à conducteurs de grille, et un circuit de sortie branché à l'électrode à conducteur de drain. Grâce à cette disposition, comme le circuit de rétroaction est placé entre les cellules T E C et entre les électrodes de drain et de grille, il est possible de réduire au minimum la longueur totale des lignes de liaison. Par suite, comme il est possible de réduire le terme d'inductance des lignes de liaison pour assimiler ainsi en première approximation cette impédance à une résistance de rétroaction, on peut obtenir de façon stable une rétroaction négative. Il en résulte qu'on peut obtenir une action d'amplification présentant une caractéristique de fréquence à gain plat sur une large bande de fréquence. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: la figure 1 est un schéma d'échantillon de puce représentant un élément Jamplificateur à semi- conducteur T E C de type à rétroaction selon l'invention; - la figure 2 est un schéma de circuit représentant une première forme de réalisation de l'élément à semi- conducteur T E C de type à rétroaction montré à la figure i; - la figure 3 est un schéma de circuit représentant une seconde forme de réalisation dans laquelle l'élément à semi-conducteur T E C de type à rétroaction est équipé de circuits d'entrée et de sortie; - la figure 4 est un schéma de circuit représentant une troisième forme de réalisation dans laquelle l'élément à semi-conducteur T E C de type à rétroaction comprend trois cellules de T E C en parallèle; - la figure 5 est un schéma de circuit représentant un élément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction selon l'art antérieur; et - la figure 6 est un schéma d'un échantillon de puce représentant l'élément semi-conducteur T E C de type à rétroaction selon l'art antérieur à la figure 5. La figure 5 des dessins ci-joints est un schéma de circuit représentant un amplificateur à 2;644648 transistor à effet de champ de type à rétroaction classique (appelé ciaprès "amplificateur T E C de type à rétroaction") décrit dans une publication de thèse MW80-80 intitulée "Amplificateur en circuit intégré monolithique AsGa à ultra large bande et à faible bruit" (de Nishiuma et Cie). publiée par The Institute of Electronics, Information and Communication Ingineers. A la figure 5, la référence 1 désigne un transistor à effet de champ (appelé ci-après "T E C") comportant une borne de grille 2, une borne de drain 3 et une borne de source 4. La borne de source 4 est branchée à la masse. Les bornes de grille et de drain 2, 3 du T E C 1 sont connectées pour un circuit de rétroaction 8 constitué d'une résistance 5, d'un condensateur 6 et de lignes de transmission de liaison 7. Ainsi, ce circuit de rétroaction 8, représenté à la figure 5, comprend des éléments passifs c'est-à-dire la résistance 5, le condensateur 6 et les lignes de transmission de liaison 7. Dans ce circuit, l'impédance Zf du circuit de rétroaction 8 s'exprime par l'équation suivante: Zf = Rf + j (w Lf - 1/w Cf)... (1) dans laquelle Rf est la valeur de la résistance 5, Cf est la valeur du condensateur 6, et Lf est la valeur d'inductance des lignes de transmission de liaison 7. Dans un amplificateur T E C de type à rétroaction utilisant ces éléments semi-conducteurs T E C, si la valeur Cf du condensateur 6 est choisie suffisamment grande et si, également, la valeur Lf de la ligne de transmission de liaison 7 est choisie suffisamment petite, le second terme j (w Lf - 1/w Cf) du membre de droite de l'équation (1) ci-dessus est négligeable comparativement au premier terme Rf de ce membre de droite, dans une bande de fréquence voulue. Par suite, si l'impédance Zf du circuit de rétroaction 8 est assimilée à la valeur Rf de la résistance 5 (Zf = Rf) et si l'on choisit la valeur optimale pour la valeur Rf de la résistance 5, cet amplificateur peut présenter de bonnes caractéristiques de réflexion d'entrée et de sortie sur une large plage de fréquence, ainsi qu'une caractéristique en fréquence présentant un gain plat sur une très large bande de fréquence. La figure 6 est un schéma d'un échantillon de puce représentant un exemple de l'élément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction classique de la figure 5. Dans cet élément amplificateur à semi- conducteur T E C de type à rétroaction classique, tel qu'il est représenté à la figure 6, si l'on augmente la largeur de grille du T E C 1 dans le but d'obtenir un signal de sortie élevé, il en résulte un allongement de la distance entre les bornes de drain et de grille 3, 2 du T E C 1 et par conséquent un allongement des lignes de transmission de liaison 7 du circuit de rétroaction 8. Par suite, l'inductance Lf des lignes de transmission de liaison 7 ne peut être négligée, de sorte que l'impédance Zf du circuit de rétroaction 8 dépend de la fréquence. Ainsi, compte tenu de la caractéristique de fréquence de l'amplificateur classique, il est difficile d'obtenir un gain plat sur une large bande de fréquence. Les figures 1 et 2 représentent un élément amplificateur à semiconducteur T E C de type à rétroaction selon une première forme de réalisation de l'invention. Cet élément à semi-conducteur T E C de type à rétroaction est particulièrement pratique lorsqu'on l'utilise en amplificateur. L'amplificateur comprend d'une façon générale une borne de grille 2, une borne de drain 3, un circuit de rétroaction 8 branché aux bornes de grille et de drain 2, 3, et deux cellules T E C 9. Tous ces éléments sont montés sur un substrat semi- conducteur. Chacune des cellules de T E C 9 est constituée d'électrodes de source, de drain et de grille. La borne de grille 2 est une électrode à conducteurs de grille disposée sur le substrat, et part de l'électrode de grille. La borne de drain 3 est une électrode à conducteurs de drain disposée sur le substrat, et part de l'électrode de grille. Le circuit de rétroaction 8 est branché en série avec les bornes de grille et de drain 2, 3, et se place entre les deux cellules de T E C 9. Le circuit de rétroaction 8 est constitué de lignes de transmission de liaison 7, et d'éléments passifs c'est-à-dire d'un condensateur 6 et d'une résistance 5. Chacune des bornes de grille et de drain 2, 3, telles qu'elles sont représentées à la figure 1, présente une configuration en forme de peigne. La borne de grille 2 et la borne de drain 3 sont placées dans une disposition face à face. Entre les deux bornes 2, 3 se trouvent les bornes de source 4 et le circuit de rétroaction 8. La figure 2 représente un circuit équivalent correspondant au schéma de l'échantillon de puce à la figure 1. A la figure 2, les deux cellules de T E C 9, 9 sont branchées en parallèle. Cet amplificateur est réalisé en branchant le circuit de rétroaction 8 en parallèle sur les deux cellules de T E C 9, c'est-à- 264A648 dire sur les éléments à semi-conducteur T E C. Plus précisément, le circuit de rétroaction 8 est placé entre les deux cellules de T E C 9, 9, et se branche, par une extrémité, à la borne de drain 3, c'est-à-dire à l'électrode à conducteurs de drain, et par l'autre extrémité, à la borne de grille 2, c'est-à-dire à l'électrode à conducteurs de grille. Le circuit de rétroaction 8 est constitué de la résistance 5, du condensateur 6 et des lignes de transmission de liaison 7, tous ces éléments étant branchés en série. Comme l'élément à semi-conducteur T E C, tel qu'il est représenté à la figure 1, est divisé en deux cellules de T E C parallèles 9, 9, le circuit de rétroaction 8 de cet amplificateur peut être placé entre ces deux cellules de T E C 9, 9, de façon que le circuit de rétroaction 8 puisse être formé sur le chemin le plus court entre les bornes de grille et de drain 2, 3. Par suite, il est possible de réduire au minimum la longueur totale des lignes de transmission de liaison 7 du circuit de rétroaction 8. Du fait de cette longueur suffisamment courte des lignes de liaison 7, l'inductance Lf peut pratiquement être négligée. Comme l'inductance Lf (dans l'équation 1) des lignes de transmission de liaison 7 peut être réduite à une valeur suffisamment petite, il est possible d'obtenir l'approximation Zf = Rf (Rf étant la valeur de la résistance 5) en augmentant suffisamment la valeur Cf du condensateur 6. Ainsi, l'impédance Zf du circuit de rétroaction 8 peut être maintenue constante indépendamment de la fréquence. Par suite, lorsqu'on choisit une valeur convenable de Rf pour la résistance 5, il est possible d'obtenir de bonnes caractéristiques de réflexion d'entrée et de sortie, ainsi qu'un gain plat sur une large bande de fréquence. La figure 3 représente un élément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction selon une seconde forme de réalisation de l'invention. Cet élément à semi-conducteur T E C de type à rétroaction comprend le circuit de rétroaction 8 et les deux cellules de T E C 9, 9 comprenant chacune les circuits latéraux d'entrée et de sortie , 11. Ces deux cellules de T E C 9, 9 et le circuit de rétroaction 8 sont branchés respectivement en parallèle. Ainsi, le circuit de rétroaction 8 est branché entre la borne d'entrée 12 à laquelle aboutissent les circuits latéraux d'entrée 10 des bornes de grille des cellules de T E C 9, et la borne de sortie 13 à laquelle aboutissent les circuits latéraux de sortie 11 des bornes de drain des cellules de T E C 9. Dans cette forme de réalisation également, on peut obtenir les mêmes résultats que dans la première forme de réalisation. La figure 4 représente une troisième forme de réalisation dans laquelle un certain nombre de cellules de T E C 9 (trois cellules de T E C dans la présente forme de réalisation) sont branchées en parallèle, et dans laquelle un certain nombre de circuits de rétroaction 8 (deux circuits de rétroaction dans la présente forme de réalisation) sont placés chacun entre deux cellules de T E C 9, 9 adjacentes. Dans cette forme de réalisation également, on peut obtenir le même fonctionnement et les mêmes résultats que dans les formes de réalisation précédentes. En outre, grâce à cette disposition à circuits de rétroaction multiples, on peut obtenir une intégration à haut niveau et par conséquent un circuit intégré à haut niveau d'intégration. Comme décrit ci-dessus, dans l'élément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction selon l'invention, comme au moins un circuit de rétroaction est placé entre deux ou plusieurs cellules de T E C, et entre l'électrode à conducteurs de drain et l'électrode à conducteurs de grille, il est possible de réduire au minimum la longueur totale des lignes de transmission de liaison même si l'élément amplificateur à semi-conducteur T E C présentant une grande largeur de grille, est équipé du circuit de rétroaction, ce qui permet ainsi de garantir une caractéristique de fréquence présentant un gain plat sur une large bande de fréquence. REVENDICATIONS 1') Elément amplificateur à semi-conducteur à transistor à effet de champs de type à rétroaction, élément caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un élément de transistor à effet de champ (T E C) comprenant un certain nombre de cellules de T E C parallèles constituées chacune d'un substrat semi- conducteur et d'électrodes de source, de drain (3) et de grille (2) montées sur ce substrat; (b) une électrode à conducteur de drain partant de l'électrode de drain (3) de chaque cellule de T E C (9) et disposée sur ce substrat d'un côté de l'élément semi-conducteur T E C; (c) une électrode à conducteurs de grille (2) partant de l'électrode de grille de chaque cellule de T E C (9) et disposée sur le substrat de l'autre côté de l'élément semi-conducteur T E C; et (d) un circuit de rétroaction (8) comprenant au moins deux lignes de liaison et au moins un élément passif, ce circuit étant branché à l'électrode à conducteurs de drain et à l'électrode à conducteurs de grille, et ce circuit de rétroaction étant placé entre les électrodes à conducteurs de drain et de grille, ainsi qu'entre les cellules de T E C (9), de manière à réduire au minimum la longueur totale des lignes de liaison (7). 2') Elément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction selon la revendication 1, caractérisé en-ce que le circuit de rétroaction (8) comprend les lignes de liaison (7) et une résistance branchée en série avec celles-ci. 3') Elément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de rétroaction (8) comprend les lignes de liaison (7), une résistance et un condensateur (6), tous ces éléments étant branchés en série les uns avec les autres. 4') Elément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit d'entrée branché à l'électrode à conducteurs de grille, et un circuit de sortie branché à l'électrode à conducteurs de drain. 5') Elément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de rétroaction (8) comprend les lignes de liaison (7) et une résistance (5) branchée en série avec celles-ci. 6) Elément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de rétroaction (8) comprend les lignes de liaison (7), une résistance et un condensateur (6); tous ces éléments étant branchés en série les uns avec les autres. 7) Elément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des électrodes à conducteurs de drain (2) et de grille (3) présente une configuration générale en forme de peigne. 8') Elément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit de rétroaction (8) comprend les lignes de liaison (7) et une résistance branchée en série avec celles-ci. 9') Elément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit de rétroaction (8) comprend les lignes de liaison, une résistance (5) et un condensateur (6), tous ces éléments étant branchés en série les uns avec les autres. ) Elément amplificateur à semi-conducteur T E C de type à rétroaction selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit d'entrée branché à l'électrode à conducteurs de grille (3), et un circuit de sortie branché à l'électrode à conducteur de drain (2). 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