Brevet FR2679702A1 — publié le 19930129

Elément semi-conducteur à capacité variable pour circuit intégré en micro-ondes et circuit intégré équipé d'au moins un tel élément. La présente invention concerne les éléments semi-conducteurs à capacité variable servant à modifier la fréquence d'accord de circuits résonnants en particulier dans les circuits intégrés en micro-ondes qui sont aussi appelés circuits MMIC, d'après le sigle de leur désignation dans la littérature anglosaxonne (: Monolithic microwave integrated circuit). De tels éléments semi-conducteurs sont, par exemple1 employés dans les oscillateurs commandés en tension (voltage-controlled oscillator ou VCO dans la littérature anglo-saxonne) et dans les filtres accordables. Il est connu d'utiliser une diode à capacité variable pour réaliser ces éléments semi-conducteurs. Ainsi dans un circuit MMIC il est de pratique courante d'utiliser une diode à capacité variable au silicium ou à l'arséniure de gallium en élément discret, pour permettre de modifier la fréquence d'accord d un circuit résonnant. Dans le cas, en particulier, d'un circuit MMIC à l'arséniure de gallium, il paraît intéressant d'utiliser des diodes à capacité variable implantées directement sur le circuit afin d'éviter le câblage d'un composant extérieur. Les diodes à capacité variable implantées sur circuit à l'arséniure de gallium ont une caractéristique intéressante de variation de capacité en fonction de la tension, mais elles ont un défaut qui les rend assez difficiles à utiliser : leur plage de tension utilisable est faible +0.5 volts à -2.5 volts, soit 3 volts environ et elle est limitée vers le bas par une zone à forte résistance qui produit un amortissement du circuit résonnant entraînant une baisse de puissance et un bruit de modulatison. Ceci oblige l'utilisateur à appliquer à la diode une tension de faible valeur, aussi bien pour la tension haute fré quence aux bornes du circuit résonnant que pour la tension de commande de modulation, aussi appelée tension de polarisation de la diode. Avec une faible tension de commande, la sensibilité de modulation devient très grande (200 MHz/Volt ou plus) dès que la gamme de fréquence désirée est un peu étendue (200 à 400 MHz), et le bruit des circuits de commande amène des perturbations. D'autre part, il est très difficile de réaliser des oscillateurs stables, c'est-à-dire peu sensibles à leur environnement, avec des tensions haute fréquence faibles aux bornes des circuits résonnants. En général, les oscillateurs en circuits MMIC délivrent une puissance de quelques milliwatts, ce qui conduit à des tensions haute fréquence de l'ordre de 5 à 10 volts crête à crête avec les circuits couramment utilisés. La diode, sous l'action de la tension haute fréquence, travaille toujours dans la zone de forte résistance et l'oscillateur obtenu a de très mauvaises caractéristiques de bruit. Pour implanter une diode dans un circuit MMIC à l'arséniure de gallium, comme diode à capacité variable, il faut donc à tout prix abaisser la tension haute fréquence aux bornes de la diode. La solution classique consiste à placer un condensateur en série avec la diode de manière que la tension haute fréquence se répartisse entre la diode et le condensateur suivant l'inverse des capacités de ces deux éléments. Mais la diode a moins d'influence si bien que la bande de variation de fréquence est réduite par l'introduction du condensateur. Pour, dans un oscillateur commandé en tension, réduire la sensibilité à la tension de commande, il est possible d'utiliser un atténuateur, ainsi la tension de commande est plus élevée mais les résistances de l'atténuateur sont la source d'un bruit thermique qui produit une modulation parasite : le bruit de phase dans le cas d'un oscillateur commandé en tension. La présente invention a pour but d'éviter ou, pour le moins, de réduire les inconvénients indiqués ci-avant. Ceci est obtenu, en particulier, par des diodes à capacité variable associées pour constituer un même élément semiconducteur. Selon l'invention il est proposé un élément semi-conducteur à capacité variable constituant le moyen de commande en tension d'une caractéristique de fréquence d'un circuit intégré en micro-ondes, caractérisé par la mise en série de n, où n est un entier supérieur à 1, diodes à capacité variable La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ciaprès et des figures s ty rapportant qui représentent - la figure 1, le schéma d'un circuit résonnant qui utilise une diode à capacité variable, - la figure 2, le schéma d'un circuit résonnant selon l'invention, - la figure 3, le schéma d'un élément semi-conducteur selon l'invention. La figure 1 montre un circuit oscillant. Ce circuit comporte une inductance L, un condensateur C, une diode à capacité variable Cd et deux résistances r et R. La première extrémité de l'inductance L et la cathodede la diode Cd sont reliées à la masse tandis que le condensateur C relie la seconde extrémité de l'inductance L à l'anode de la diode Cd ; la résistance r est montée en parallèle sur la diode Cd et la résistance R est reliée, à sa première extrémité, à l'anode de la diode Cd. Une tension haute fréquence, Vh, est appliquée aux bornes de l'inductance L et une tension de commande ou tension de polarisation, Vc, est appliquée entre la seconde extrémité de la résistance R et la masse. Le circuit oscillant selon la figure 1 est un circuit dans lequel la tension haute fréquence aux bornes de la diode a été diminuée grâce au condensateur C qui l'a réduit à la valeur Vh. C/(C+Cd). Ce circuit comporte un atténuateur, constitué par les résistances r et R, qui réduit la tension de commande appliquée sur la diode Cd, à la valeur Vc . r/ (r+R). Les inconvénients de ce circuit sont étudiés dans la partie introductive de ce texte ; ils ne seront donc pas à nouveau exposés ici. La figure 2 est le schéma d'un exemple de réalisation d'un circuit résonnant suivant l'invention, qui trouve plus particulièrement son application dans les circuits MMIC à l'arséniure de gallium comme il a été indiqué plus avant. Ce circuit résonnant comporte une inductance L, cinq diodes à capacité variable Cdl à Cd5 et cinq résistances RI à R5. La première extrémité de I'inductance L est reliée à la masse. Les cinq diodes Cdl à Cd5 sont montées en série, toutes dans le même sens, avec l'anode de la diode Cdl reliée à la seconde extrémité de l'inductance L et la cathode de la diode Cd5 reliée à la masse. Les résistances Ri à R5 sont des résistances d'équilibrage ; elles assurent la répartition égale de la tension de commande Vc entre les diodes Cdl à Cd5. Dans ce but, elles sont toutes identiques et respectivement montées en parallèle sur les diodes Cdl à Cd5. Elles sont choisies de valeur élevée pour ne pas amortir le circuit résonnant : 5k JL dans le circuit qui a servi d'exemple à la présente description. Dans le montage selon la figure 2, la tension haute fréquence, Vh, aux bornes du circuit résonnant, se répartit également entre les diodes Cdl à Cd5 dans la mesure où les capacités des diodes sont toutes identiques. Ces capacités sont constitués, dans le cas des circuits MMIC, de la capacité propre de la diode à laquelle se combinent les capacités parasites des diodes par rapport à la masse. Ces capacités parasites peuvent être considérées comme identiques et de valeur fixe Cp. La figure 3 montre l'élément semi-conducteur à capacité variable de la figure 2 avec ses cinq capacités parasites qui sont toutes notées Cp, qui ont toutes la même valeur, Cp, et qui relient respectivement les anodes des cinq diodes Cdl à Cd5 à la masse. Pour que, dans un élément semi-conducteur à capacité variable, la même tension haute fréquence soit appliquée aux bornes de chacune des diodes qui le composent, il faut donc tenir compte des capacités parasites ; pour que l'élément semi-conducteur ait une capacité Cd et en considérant non pas 5 mais n, avec n entier supérieur à 1, diodes en série, cela conduit à prendre les valeurs suivantes pour les capacités propres à chacune des diodes Cdl à Cdn Cdl = n.Cd - Cp Cd2 = (nCd - 2 Cp)/(1 + 2 Cp/nCd) Cdn = (nCd - nCp)/[1 + n(n - 1)Cp/nCdl c'est-à-dire que la ième diode de l'élément semi-conducteur doit avoir comme capacité propre Cdi = (nCd-iCp)[1 + i(i-1)Cp/nCd] Les capacités parasites Cp sont de valeur fixe mais les capacités des diodes à capacité variable qui composent l'élément semi-conducteur sont, par essence même, variables en fonction de la tension de commande Vc. Les valeurs à choisir pour les capacités des diodes ne sont donc valables que pour une valeur de la tension de commande Vc appliquée aux bornes de l'élément semi-conducteur : la tension Vc correspondant à la valeur Cd qui aura été prise dans les calculs. C'est pourquoi Cd sera en général la valeur à obtenir avec l'ensemble semi-conducteur au centre de la plage de variation désirée. L'invention ntest pas limitée aux exemples décrits, c'est ainsi, en particulier, que le nombre n des diodes qui composent l'élément semi-conducteur à capacité variable selon l'invention, s'il est au moins égal à 2 n'est limité, dans les nombres entiers positifs, que par les valeurs des capacités à obtenir pour chacune des diodes. En effet, avec n diodes, pour obtenir une capacité résultante de valeur Cd, les capacités de ces n diodes sont sensiblement n fois plus grandes que Cd ; comme de plus la surface occupée par une diode est sensiblement proportionnelle à sa capacité, la surface nécessaire à l'élément semi-conducteur varie comme le carré du nombre n des diodes qui le composent, ce qui limite n en fonction de la place disponible sur le circuit MMIC. REVENDICATIONS 1. Elément semi-conducteur à capacité variable constituant le moyen de commande en tension d'une caractéristique de fréquence d'un circuit intégré en micro-ondes, caractérisé par la mise en série de n, où n est un entier supérieur à 1, diodes à capacité variable. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les n diodes ont des caractéristiques identiques. 3. Elément selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans le but d'équilibrer les tensions de polarisation obtenues aux bornes de chaque diode à partir d'une tension appliquée aux bornes de l'élément, n résistances de valeurs égales sont branchées respectivement aux bornes des n diodes. 4. Elément selon la revendication 1, dans lequel les n diodes présentent la même capacité parasite Cp par rapport à la masse et dans lequel la première des n diodes de la série est reliée à la masse, caractérisé en ce que la capacité propre, Cdi, de la ième diode dans la série est choisie égale à (nCd-iCp)/[i+i(i-l) Cp/nCd], où Cd est une valeur de capacité donnée. 5. Circuit intégré en micro-ondes, caractérisé en ce qu'il est équipé d'au moins un élément selon l'une des revendications précédentes.