Brevet FR2647983A1 — publié le 19901207

DIVISEUR ANALOGIQUE DE FREQUENCE, ET PROCEDE DE DIVISION D'UNE FREQUENCE La présente invention concerne un diviseur de fréquence analogique, et plus particuliérement le procédé de polarisation d'un transistor fonctionnant en oscillateur potentlellement instable. Cet oscillateur, synchronisé par la fréquence d'entrée à diviser doit etre stable - c'est-8-dire bloqué - quand il n y a pas de signal d'entrée, et doit osciller à la fréquence de sortie quand il y a un signal d'entrée. Dans l'état actuel de la technique, les diviseurs de fréquence numériques sont limités A une fréquence maximale de fonctionnement inférieure ou égale A 10 GHz. Au contraire, le diviseur de fréquence analogique selon l'invention peut atteindre des fréquences trés élevées, bien qu'il puisse également travailler A des fréquences basses. Son organisation lui permet de fonctionner Jusqu'A la fréquence limite d'oscillation du transistor. Pour les transistors à effet de champ monogrille en arséniure de gallium actuellement disponibles et commercialisés, cette limlte se situe au delà de 40 GHz, dans une fourchette de 60 à 80 0Hz : cecl signifie que le diviseur de fréquence selon l'invention peut diviser une fréquence d'entrée en bande millimétrique, vers 94 GHz. Selon l'invention, le circuit proposé est un générateur de sous-harmoniques controlé et synchronisé par le signal d'entrée à fréquence X O, qu'il faut diviser. Ce générateur comprend essentiellement un transistor monté en impédance non-linéaire. Cet oscillateur est - stable lorsqu'aucun courant n'est Injecté, ou que le signal d'entrée est å une tension inférieure à la tension de seuil pour laquelle l'oscillateur est débloqué - instable, donc en oscillation, lorsque le signal appliqué sur le transistor est supérieur R la tension de seuil. L'impédance non-linéaire est calculée pour fournir des sous-harmoniques de la fréquence d'entrée. Pour régler cet oscillateur, le transistor est polarisé sur son électrode de commande à une tension V gso Inférieure A la tension de seuil V pour laquelle il oscille. Lorsque le signal gs d'entrée est superposé å cette tension . de polarisation, l'oscillation est déclenchée et synchronisée par le signal d'entrée. Un litre en contre-réaction permet de sélectionner une sous-harmonique correspondant au rang de division requis. De façon plus précise, I'invention concerne un diviseur analogique de fréquence, caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur 9 transistor à l'entrée duquel est appliquée la fréquence à diviser, cet oscillateur, monté en générateur de sous-harmoniques de la fréquence d'entrée, étant déclenché en oscillation et synchronisé par le signal d'entrée superposé à une tension de polarisation de la grille du transistor. L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée d'un exemple de réalisation, qui s'appuie sur les figures jointes en annexe, qui représentent - figure 1 : schéma de prlncipe du diviseur de fréquence selon l'invention, dans le cas général, - figure 2 : application du schéma de la figure précédente A un transistor, - figure 3 montage d'un transistor en oscillateur, selon le schéma du diviseur de fréquence de la figure 1, assurant le contrôle de la stabilité, - figures 4 et 5 diagrammes des tensions appliquées à la grille du transistor, par rapport au signal d'entrée, - figure 6 : schéma électrique d'un diviseur de fréquence selon l'invention. Le diviseur de fréquence selon l'invention concerne une large gamme de fréquences, exprimées en MHz ou en 0Hz toutefois, il est blen connu que c'est dans le domaine des hyperfréquences que la division est la plus déllcate, c'est pourquoi l'invention sera exposée en s'appuyant sur l'exemple d'un diviseur hyperfréquence, utilisant un transistor à effet de champ sur arséniure de gallium. Ceci ne limite nullement son application à des diviseurs basse fréquence utilisant des transistors en silicium. La figure 1 donne le schéma de principe d'un diviseur de fréquence selon l'invention. La fréquence à diviser est fournie par une source 1, générateur de tension ou de courant, de pulsation wO, , extérieure au circuit du diviseur. Ce générateur débite dans une impédance non linéaire Znl repérée en 2, capable de fournlr des sous-harmoniques de X Un filtre passe-bande 3, centré sur 1A fréquence empêche les interférences de l'impédance non-linéaire 2 vers la source 1. Un second filtre passe-bande 4 sélectionne en sortie la sous-harmonique recherchée, qui est utilisée dans l'impédance de charge ZL repérée en 5. L'impédance Z ni doit remplir les conditions suivantes - lorsqu'un courant à fréquence wo est injecté à travers le filtre 3, elle doit fournlr une pulssance à la fréquence # O/n correspondant au rang de division souhaite. Znî est donc å résistance négatlve à #o/n o - lorsqu'aucun courant n'est injecté, l'impédance Zn1 ne doit délivrer aucune puissance, et aucune fréquence. Un diviseur de fréquence constrult selon ce schéma n'est autre qu'un oscillateur dont l'oscillation à w O/n est déclenchée et synchronisée par le signal d'entrée A sO. Cette synchronisation se fait par la "n"ième harmonique du signal généré par l'impédance à résistance négative. La bande de fonctionnement du diviseur est donc d'autant plus grande que le rang de division est plus bas elle est maximale dans le cas d'un diviseur par 2. I1 est classique d'utiliser un transistor pour réaliser un oscillateur, et notamment un transistor à effet de champ. La figure 2 représente l'application du cas général de la figure 1 a l'utilisation à un transistor. Le diagramme de bloc 6 représente le circuit quadripôle contenant le transistor, ainsi que ses composants d'environnement : selfs, . capacités. . etc. Une contre-réaction centrée sur s O/n, représentée en 7, réinjecte sur l'électrode de commande du transistor une partie du signal de sortie à co Otn. La difficulté consiste A maitriser les conditions d'oscillation en fonction du niveau du signal d'entrée à # Ceci est obtenu en polarisant la grille. du transistor - si c'est un transistor à effet de champ - au moyen d'une tension v qui sera précisée ultérieurement, conformément à la figure gso 3. Le circuit 6 est un oscillateur à transistor à effet de champ, monogrille, oscillant à la fréquence w O/n. L'utilisation d'un transistor monogrille est préférable à celle d'un transistor bigrille, comme cela est connu, car les translstors monogrilles sont plus stables et plus fiables en réalisation industrlelle. On cherche la tension de polarisation de grille v gseuil du transistor qui correspond à la limlte de déclenchement de l'oscillation lorsqu'aucun signal n'est injecté, par la source 1, à l'entrée de l'osclllateur 6. On polarise alors la grille du transistor à une tension v gso inférieure à la tension précédente v U,ce qui assure la stabilité de l'oscillateur sans puissance injectée. Lorsqu'on injecte un signal A fréquence S o, il y a superposition A v d'une tension v.cos w t (v étant la gso o tension générée par le générateur 1) qui débloque le transistor des que v + vcos # t| Dans cette inégalité, le signe Le circuit de contre-réaction à w O/n (7 en figure 2) synchronise l'oscillateur au rang harmonique d'ordre "n". Le fonctionnement de cet oscillateur est schématisé en figure 4, qui représente une période du signal émis par le générateur 1 à la fréquence W Le temps est porté en abscisses, et la tension v gs appliquée entre source et grille du transistor est portée en ordonnées. Ces tensions sont négatives si c'est un transistor à effet de champ : tant que la tension fournie par le générateur 1 est inférieure 'a à v gseuil l'oscillateur est bloqué. Celui-ci se débloque dans la région hachurée 8, lorsque la tension appliquée sur sa grille est supérieure 'a à seuil si v + vcos t > Vgseuil le circuit oscille à w gso o si v + vcos w0t gso Le circuit oscille dans un intervalle -#,+#(# # étant défini par vcos (3 = La valeur de la tension, en dehors de cet intervalle, n'a, au premier ordre, pas d'effet sur le comportement du circuit. Celui-ci se comporterait de la même façon si on lul Injectait un signal donnant une tension v de la forme représentée en figure gs 5, qui n'est autre que la figure 4 coupée au niveau de On peut la développer sous forme v (t) = v o + f cosw0t + f gs (t) = 2 cos2 j4. ..) dans laquelle fO, f1, f2 sont les coefficients de Fourrier On retrouve ainsi les conditions de fonctionnement en diviseur de fréquence - f v donne la valeur de la tension de décalage continue o # v gseuil permettant le déclenchement de l'oscillateur, - flv 3 , f2v# . . permettent de synchroniser cette oscillation sur l'harmonique n, 2n.. - et lorsque v = o, v e = o, l'oscillateur est stable. La figure 6 donne le schéma électrique d'un diviseur de fréquence par 2 selon l'invention. La fréquence w A diviser est appliquée su la borne 9 à o l'entrée du circuit bati autour d'un transistor 10 A effet de champ monogrille. Le circuit sell-capacité en parallèle 11 + 12 est un circuit d'adaptation à la fréquence oo, et le circuit self-capacité en série 13 + 14 est calculé pour former court-circuit à X o/2 L'ensemble de ces deux circuits - entouré d'un pointillé forme le filtre passe-bande 3 des figures 1 à 3. La grille du transistor 10 est polarisée, à partir de la borne 15, par une tension vg90, filtrée à travers un filtre LC 16, appliquée en amont d'une self 17 sur la grille. Sur le drain du transistor le circuit self-capacité en série 18+19 est calculé pour former court-circuit à w c'est le filtre passe-bande 4 des figures 1 à 3. Sur la source du transistor, le circuit self-capacité en parallèle 20 + 21 constitue le circuit de contre-réaction à wo/2, repéré en 7 sur la figure 2. C'est lui qui, par l'intermédiaire de le masse, ré Injecte une fréquence à w o/2 sur la grille du transistor. Le filtre passe-bande 4 est mis à la masse soit à travers le circuit de contre-réaction 7, soit directement. Le transistor 10 est alimenté sur son drain par une tension Vdso appliquée sur la borne 22 et filtrée selon l'art connu par un filtre 23 et une self 24. Après découplage conventionnel par des capacités, la fréquence divisée # o/2 est recueille sur la borne de sortie 25. La division par 2 est intéressante car elle correspond à la première harmonique et donne la plus grande bande de fonctionnement du diviseur. Toutefois, il est évident pour l'homme du métler que sl la division doit être d'ordre n, les circuits sont calculés pour former contre-réactlon et court-circult A vO/n. De même, le remplacement d'un transistor à effet de champ par un transistor bipolaire, et des tensions négatives par des tensions positives, entre dans le cadre de l'invention. Le diviseur de fréquence de la figure 6 a donné les résultats expérimentaux suivants - fréquence centrale : = 10 GHz - puissance d'entrée à #o: N 10 dBm = 10 mW - puissance de sortie à w o/2 N 13 dBm= 20 mW - bande de synchronisation: # 25 % autour de 10 GHz. Ce diviseur de fréquence est utilisé dans les systèmes de traitement d'informations analogiques. REVENDICATIONS 1 - Diviseur analogique de fréquence, caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur (6) à transistor (10) A l'entrée duquel est appliquée la fréquence ( co O) à diviser, cet oscillateur (6), monté en générateur de sous-harmoniques ( w > o/n) de la fréquence d'entrée, étant déclenché en oscillation et synchronisé par le signal d'entrée ( # o > superposé à une tension de polarisation (v gso) de la grille du transistor (10). 2 - Diviseur analogique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension de polarisation (v gso) de grille du transistor (10) est inférieure, en valeur absolue à la tension de seuil (v gseuil) pour laquelle l'oscillateur (6) oscille en l'absence d'un signal d'entrée dont la fréquence ( # o) doit être divisée. 3 - Diviseur analogique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre - un filtre d'entrée (3) d'adaptation à la fréquence ( wO) o > d'entrée (11 +12), comportant un court-circuit (13+14) à la fréquence de sortie (#o/n), ce filtre étant branché sur la grille du transistor (10) de ltosciliateur (6), - un filtre de sortie (4), comportant un court-circuit (18-19) à la fréquence d'entrée ( w > o), ce filtre étant branché sur le drain du transistor (10) de l'oscillateur (6) - un circuit de contre-réaction (20+21), accordé sur une harmonique ( #o O/n) de la fréquence d'entrée (#o), ledit circuit, branché sur la source du transistor (10), réinjectant ladite harmonique ( w > (#o/n) sur l'entrée de l'oscillateur, pour la faire osciller, en synchronisation avec la fréquence d'entrée. 4 - Procédé de division d'une fréquence ( w > #o) au moyen d'un oscillateur (6) à transistor (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes - en l'absence de signal à l'entrée du diviseur, recherche de la tension de polarisation (vgseuil) de le grille du transistor (10) qui constitue la limite de déclenchement de l'oscillation, - polarisation de ladite grille A une tension (v gso) inférieure A le tension de seuil (Vgseuil ) précédemment déterminée, I'oscillateur étant bloqué pour ladlte tension de polarisation (v ) gso - déclenchement de l'oscillation par injection du signal d'entrée ( co O), dont 1A tension ajoutée à la tension de polarisation (vgSO) débloque l'oscillateur et le synchronise sur gso une harmonique (#/ n) de la fréquence ( w0) du signal d'entrée.