Brevet FR2685578A1 — publié le 19930625

"Circuit intégré comprenant un amplificateur à gain variable". Description: L'invention concerne un circuit intégré comprenant un amplificateur à gain variable ayant un premier transistor avec une charge montés en inverseur, commandé par un premier signal à une première fréquence, et ayant en outre une branche, formée d'une capacité en série avec un transistor monté en résistance variable, dont l'impédance est modulée par un second signal à une seconde fréquence. L'invention trouve son application dans la réalisation de téléphones sans fil, de récepteurs pour automobile, ou de tout autre récepteur nécessitant des circuits à faible consommation, et d'un faible coût pour réalisation grand public L'invention trouve aussi son application dans la réalisation de tout récepteur nécessitant un convertisseur de fréquences (en anglais Down-Converter) également appelé mélangeur en français. Un tel mélangeur est déjà connu de la demande de brevet EP O 223 287 Le circuit connu comprend un premier transistor à effet de champ dont la source est reliée à la masse, et dont le drain est relié à une charge active Ces éléments forment un étage inverseur alimenté par une tension continue appliquée à travers la charge active Le premier transistor reçoit sur sa grille un premier signal à une fréquence radio FR. Ce circuit comprend en outre une branche formée d'un second transistor à effet de champ monté en résistance variable en série avec une capacité Cette branche est montée entre la masse et le drain du premier transistor Le second transistor monté en résistance variable est commandé par un second signal à une seconde fréquence OL provenant d'un oscillateur local Le résultat du mélange à la fréquence intermédiaire est disponible sur le drain du premier transistor. Le fonctionnement de ce circuit repose sur la modulation de la charge active du premier transistor Le mélange est donc dû à la variation du gain du premier transistor monté en amplificateur linéaire, par la variation de la résistance constituée du transistor à effet de champ polarisé à V Ds = disposé dans la branche en série avec une capacité de blocage en continu, entre la masse et le drain du premier transistor inverseur. Le circuit connu présente plusieurs inconvénients. Tout d'abord, l'isolation du signal RF par rapport au signal OL n'est pas optimale L'isolation du signal OL par rapport au signal de sortie IF n'est pas non plus optimale. Ensuite, le gain de conversion du circuit est faible, car un seul étage amplificateur est utilisé. Un but de la présente invention est de fournir un circuit dont le gain de conversion est amélioré. Un autre but de l'invention est de fournir un circuit présentant une bonne isolation entre les différents signaux. Mais ces avantages ne doivent pas être obtenus au détriment de la consommation du circuit En effet, dans l'application envisagée aux récepteurs portables, la consommation doit être la plus faible possible. Un but de la présente invention est donc de fournir un circuit qui atteint les buts précédemment cités sans augmentation de la consommation par rapport au circuit connu. Ces buts sont atteints au moyen du circuit muni des caractéristiques du préambule, et en outre caractérisé en ce que l'amplificateur à gain variable comprend un second transistor avec une charge montés en inverseur, disposés en série avec le premier transistor et sa charge, entre cette dernière et une alimentation continue, pour que les deux transistors partagent le même courant, le second inverseur étant commandé par la sortie du premier inverseur, et en ce que l'impédance modulée par le second signal est appliquée au point commun entre la charge du premier transistor inverseur et le second transistor inverseur, pour moduler le gain de ce dernier. Ainsi, du fait que les deux étages amplificateurs inverseurs partagent le même courant, la consommation est très faible Et du fait que l'amplificateur à gain variable possède deux étages, le gain de conversion est plus grand que celui du circuit connu. Dans une mise en oeuvre, ce circuit est caractérisé en ce que la seconde fréquence est très faible devant la première fréquence, et en ce que le circuit est un amplificateur à gain variable commandé par le second signal appliqué au transistor monté en résistance variable, la sortie de cet amplificateur étant disponible à la sortie du second inverseur. Dans une autre mise en oeuvre, ce circuit est caractérisé en ce que la seconde fréquence est celle d'un signal provenant d'un oscillateur local OL, et la première fréquence est celle d'un signal à la fréquence radio RF, et en ce que le circuit est un convertisseur de fréquence, fournissant un signal à la fréquence intermédiaire IF à la sortie du second inverseur. Ainsi, le premier signal appliqué sur l'électrode de commande du premier transistor inverseur est bien isolé du second signal appliqué sur la commande du transistor monté en résistance variable du fait de la charge du premier inverseur. L'isolation du signal appliqué sur la commande du transistor monté en résistance variable est aussi bien réalisée vis-à-vis du signal de sortie par le moyen du deuxième transistor inverseur. L'invention est décrite ci-après en détail, en référence avec les figures schématiques annexées dont: la figure 1 représente un circuit amplificateur à gain variable monté en convertisseur de fréquences, la figure 2 représente un tel circuit muni d'un circuit de polarisation de grille des transistors. En référence avec la figure 1, un circuit intégré comprend un amplificateur à gain variable ayant un premier transistor T 1 monté en inverseur A cet effet, le transistor T 1 est relié par son drain à une charge R 1, par exemple résistive. La source du premier transistor T 1 est reliée à la masse, et sa grille, ou électrode de commande, reçoit un premier signal RF à une première fréquence L'amplificateur à gain variable a un second transistor T 2 monté en inverseur. Pour augmenter le gain de l'amplificateur, sans en augmenter la consommation, le second étage amplificateur inverseur partage le même courant que le premier étage amplificateur inverseur A cet effet, la source du second transistor T 2 est reliée à l'extrémité de la charge R 1 du premier transistor T 1 à l'opposé de ce dernier, et le drain du second transistor T 2 est relié à une alimentation continue + VDD à travers une charge L Ainsi les quatre éléments, successivement le transistor Tl, la charge R 1, le transistor T 2, la charge L sont en série entre la masse et l'alimentation continue + VDD et partagent le même courant. Le signal de sortie du premier étage amplificateur inverseur, disponible sur le drain du premier transistor T 1, est reporté, à travers une capacité Ci de blocage en continu, sur la grille ou électrode de commande du second transistor T 2 du second étage amplificateur inverseur. La sortie est disponible sur le drain du second transiter T 2. Le circuit comprend en outre une branche constituée d'un transistor T 3 monté en résistance variable et d'une capacité C 2 constituant une impédance faible et en même temps une capacité de blocage en continu. Les éléments de cette branche sont montés en série entre la masse et la source du second transistor T 2 du second étage inverseur. Le transistor T 3 monté en résistance variable a une borne à la masse, et l'autre borne reliée à la capacité C 2, elle-même reliée par son autre borne à la source du second transistor inverseur T 2 En continu, la tension drain-source du transistor T 3 est nulle, ce qui s'écrit VDS = Dans un exemple d'utilisation du circuit de la figure 1 décrit plus haut, la tension appliquée sur la grille du transistor T 3 est continue ou lentement variable On réalise alors un amplificateur à gain variable. Dans un second exemple d'utilisation, on applique sur la grille de T 3 un signal OL à une seconde fréquence, provenant d'un oscillateur local On réalise ainsi un mélangeur, ou convertisseur de fréquences Le résultat du mélange à la fréquence intermédiaire IF = IRF OLI est disponible sur le drain du second transistor T 2 amplificateur inverseur. Selon la tension appliquée sur la grille du transistor T 3, l'impédance de la branche contenant T 3 et C 2 en série est basse ou élevée Il en résulte que le gain du second transistor T 2 est respectivement élevé ou faible. Lorsque l'impédance constituée par la mise en série de T 3 et C 2 est basse, le gain G du circuit est celui des deux étages amplificateurs inverseurs montés en cascade, qui sont alors en source commune à la masse, par C 2 et T 3 En négligeant les capacités des transistors Tl et T 2, le gain G s'exprime par la relation ( 1): G = l-g j Rj/(l+ gdj Rj)l X l g 2 ZL/( 1 +gd 2 ZL)l ( 1) relation dans laquelle: g. j et gd sont respectivement la transconductance et la conductance de sortie de T 1, gm 2 et gd 2 R 1 sont respectivement la transconductance et la conductance de T 2, est l'impédance de la charge R 1, ZL est l'impédance de la charge L. Lorsque l'impédance constituée par la mise en série de C 2 et T 3 est élevée, le gain G' du circuit est donné, dans les mêmes conditions de calcul par la relation ( 2). G' = l-gmj/(gdl+gd 2/K)l X lgd 2 ZL/K)l ( 2) avec K = 1 + (g 2 +gd 2)Rl + gd 2 ZL Dans le cas o la tension appliquée sur la grille de T 3 est continue ou lentement variable, on peut régler le gain de l'amplificateur entre les valeurs de G et G' D'o l'utilisation en amplificateur à gain variable. Dans le cas o le signal de commande appliqué sur la grille de T 3 est alternatif, on réalise un mélangeur montrant les avantages suivants: A) Le gain de conversion est élevé, notamment du fait que le gain maximum G du circuit en tant qu'amplificateur est élevé, d'une valeur supérieure ou égale à 20 d B, et du fait que la dynamique de variation du gain sous l'effet de la tension de commande appliquée à T 3 est élevée de l'ordre de 25 d B Ce gain est beaucoup plus élevé que dans le circuit connu. En effet, dans le circuit de la figure 1 décrit plus haut, c'est le gain du transistor T 2 qui est modulé, et non une charge comme cela était le cas dans le circuit de la demande de brevet EP O 223 287 citée au titre d'état de la technique Cela ressort de l'examen des deux relations G et G' Ces relations montrent que le gain est obtenu par la participation de deux termes représentant respectivement le gain du premier étage inverseur, et le gain du second étage inverseur Dans le cas o l'impédance de la branche est faible, les deux termes ont une expression fonctionnelle de sorte que G ( 1) est le gain des deux inverseurs Dans le cas o l'impédance de la branche est élevée, le gain du premier étage inverseur est peu modifié, alors que le gain du second étage inverseur est très modifié, comme il ressort de G' ( 2). B) L'isolation entre le signal OL appliqué sur la grille du transistor monté en résistance variable T 3 et le signal RF appliqué sur la grille du premier transistor inverseur T 1, est forte En effet, cette isolation est réalisée par la forte impédance constituée par la mise en série de la capacité grille-drain du premier transistor T 1 et de sa résistance de charge R 1 L'isolation est donc meilleure que dans le circuit connu. C) L'isolation entre le signal OL appliqué sur la grille de T 3 et le signal à la fréquence intermédiaire IF disponible sur le drain du second transistor inverseur T 2 est forte En effet, le transistor T 2 n'a pas de gain vis-à- vis du signal OL appliqué sur sa source L'isolation est donc meilleure que dans le circuit connu. D) Le facteur de bruit du circuit est très bas contrairement à ce qui était le cas dans le circuit connu. Un faible facteur de bruit est obtenu du fait que le transistor T 1, en tant qu'amplificateur pour le premier signal RF, ne voit pas son régime perturbé par le mélange. Ce transistor T 1 reste en permanence dans des conditions de fonctionnement faible bruit et le signal RF est constamment amplifié. E) La consommation est faible En effet, les transistors T 1 et T 2 partagent le même courant Le transistor T 3 monté en résistance variable ne consomme aucun courant autre que le courant très faible consommé par la grille. F) Le gain en puissance est élevé Ce paramètre distingue particulièrement le circuit selon l'invention du circuit connu. EXEMPLE DE REALISATION La figure 2 montre un exemple de mise en oeuvre du circuit schématique de la figure 1 Ce circuit est réalisé au moyen de transistors à effet de champ en arséniure de gallium (Ga As) à enrichissement, c'est-à-dire normalement bloqués en l'absence de tension grille-source Les trois transistors T 1, T 2, T 3 sont choisis de taille identique. Les transistors Ti et T 2 des deux étages inverseurs ont une polarisation de grille réalisée au moyen du circuit constitué par le transistor T 4 et le pont de résistances R 2, R 3, R 4 d'une part et R 5, R 6 d'autre part. Le transistor T 3 est polarisé au travers d'une résistance R 7 par une seconde tension d'alimentation VG Cette tension d'alimentation VG peut être générée à partir d'une tension d'alimentation principale positive E. Le premier signal RF à la fréquence radio, est appliqué sur la grille du premier transistor inverseur T 1, par le moyen d'un circuit constitué d'une self L 1 et d'une capacité C 5 permettant de réaliser l'adaptation à l'impédance 50 Q standard, et l'isolation en continu. Le second signal OL est appliqué sur la grille du transistor T 3 à travers la capacité C 3 d'isolation en continu. Le signal IF résultat du mélange est prélevé sur le drain du second transistor T 2 au primaire d'un transformateur d'impédance accordé à la fréquence souhaitée L'accord est obtenu au moyen de la capacité C 4 Le signal est recueilli aux bornes de la résistance R 8 au secondaire du transformateur. Dans cet exemple, les fréquences utilisées sont f OL = 2 G Hz f RF = 1, 8 G Hz f IF = 200 M Hz Le gain de conversion en puissance est d B. Le niveau du signal OL retrouvé à l'entrée RF est d B. La consommation est m A pour VDD = 4 V. Ce circuit trouve son application dans tout récepteur o l'on recherche une faible consommation, un faible bruit, et une bonne isolation du signal OL Typiquement, on utilise ce circuit pour réaliser des émetteurs/récepteurs portables tels que des téléphones portables pour la téléphonie cellulaire dans le domaine 900 M Hz à 1800 M Hz. Revendications 1 Circuit intégré comprenant un amplificateur à gain variable ayant un premier transistor avec une charge montés en inverseur, commandé par un premier signal à une première fréquence, et ayant en outre une branche, formée d'une capacité en série avec un transistor monté en résistance variable, dont l'impédance est modulée par un second signal à une seconde fréquence, caractérisé en ce que l'amplificateur à gain variable comprend un second transistor avec une charge montés en inverseur, disposés en série avec le premier transistor et sa charge, entre cette dernière et une alimentation continue, pour que les deux transistors inverseurs partagent le même courant, le second inverseur étant commandé par la sortie du premier inverseur, et en ce que l'impédance modulée par le second signal est appliquée au point commun entre la charge du premier transistor inverseur et le second transistor inverseur, pour moduler le gain de ce dernier. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde fréquence est très faible devant la première fréquence, et en ce que le circuit est un amplificateur à gain variable commandé par le signal appliqué au transistor monté en résistance variable, la sortie de cet amplificateur étant disponible à la sortie du second inverseur. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde fréquence est celle d'un signal provenant d'un oscillateur local OL, et la première fréquence est celle d'un signal à la fréquence radio RF, et en ce que le circuit est un convertisseur de fréquences, fournissant un signal à la fréquence intermédiaire IF à la sortie du second inverseur. 4 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé au moyen de transistors à effet de champ en arséniure de gallium. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les trois transistors du circuit sont de taille identique et sont du type dit à enrichissement c'est-à-dire bloqué en l'absence de signal grille-source. 6 Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1, ou 3 à 5 pour réaliser un récepteur du type dit mobile.