Brevet FR2778515A1 — publié le 19991112

Circuit oscillant commandé en tension (VCO) entièrement intégrable La présente invention se rapporte à un circuit oscillant commandé en tension (VCO, Voltage Controlled Oscillator) entièrement intégrable, pour la production d'oscillations UHF sinusoïdales, qui comporte des transistors bipolaires et dans lequel une inductance spiralée intégrée en branchement parallèle avec une diode intégrée à capacité variable, à la transition PN de laquelle s'applique la tension de régulation du VCO déterminant la fréquence de résonance, est prévue comme circuit oscillant, qui est compensé en atténuation par ce que l'on appelle un circuit NIC (Negative Impedance Converter) rétrocouplé, qui transforme une résistance réelle négative pour la faire rentrer dans le circuit oscillant. Afin de préparer un signal vocal/de données pour une transmission optimisée par l'intermédiaire d'un canal de transmission hertzien (radio), ce signal vocal/de données est empreint d'une porteuse haute fréquence HF comme modulation. Ce support HF est constitué, dans nombre d'utilisations, d'oscillations sinusoïdales, qui sont produites par un oscillateur commandé en tension (VCO; Voltage Controlled Oscillator). Suivant le domaine d'utilisation, par exemple dans le système DECT (Digital European Cordless Telecommunications) transmettant dans le domaine de fréquence UHF, dans le système GSM (Global System for Mobile Communications) ou dans des systèmes analogues, il est posé a l'oscillateur commandé en tension des exigences particulières par les normes qui y existent. L'une des exigences les plus importantes est de maintenir basse ce que l'on appelle la gigue de phase, car par exemple l'émission maximum de puissance dans des canaux voisins (en fonctionnement en émission) ou de canaux voisins dans le canal utile (en fonctionnement en réception) en est limitée. Ces exigences sont le plus souvent si grandes, que l'on n'a jusqu'à aujourd'hui pratiquement pas encore réussi à produire des circuits (VCO) oscillateurs régulés en tension totalement intégrés, qui satisfont par exemple à la spécification DECT. La grandeur critique dans la norme DECT y est la gigue de phase du VCO pour une modulation à 4,7 MHz (troisième canal voisin). Celle-ci est de -132dBc/Hz suivant la spécification. Par la littérature, on connaît jusqu'ici trois circuits oscillants (UHF) commandés en tension intégrés, qui pourraient satisfaire dans une certaine mesure aux spécifications DECT. Le premier circuit se rapporte à un article de Bart Jansen, Kevin Negus et Don Lee: "Silicon Bipolar VCO Family for 1.1 to 2.2 GHz with Fully- I0 Integrated Tank and Tuning Circuits" dans "1997 IEEE International Solid- State Circuits Conference, ISSCC97 / Session 23 / Analog Techniques / Papers SP 23.8, 8 février 1997", pages 392 et 393. Dans cet oscillateur VCO intégré connu, un circuit oscillant, qui est constitué d'une inductance en spirale intégrée en branchement en parallèle avec une diode à capacité variable intégrée, est compensé en atténuation par un circuit qui introduit une résistance négative réelle dans le circuit oscillant. Un circuit de ce genre est désigné d'une manière générale comme circuit NIC (Negative Impedance Converter). La tension de régulation du VCO s'applique à la transition PN des diodes à capacité variable par lesquelles la capacité totale du circuit oscillant et donc la fréquence d'oscillation peut être modifiée. Ce VCO est constitué de transistors bipolaires. L'avantage de ce type de transistor réside en son petit bruit 1/f, ce qui est avantageux notamment pour le réglage du point de fonctionnement. L'inconvénient consiste en la grande transconductance "gm" (Id/Ut) et en la résistance de base interne des transistors bipolaires. Si le circuit NIC traverse son "passage en zéro", donc si les deux transistors de l'interrupteur de courant sont passants, il est introduit dans le circuit oscillant un "paquet de charges de bruit" relativement grand, qui se fait sentir de manière désavantageuse dans la gigue de phase. Le deuxième circuit connu à cet égard, qui renvoie à une contribution de Leonard Dauphinee, Miles Copeland et Peter Schvan: "A Balanced 1.5 GHz Voltage Controlled Oscillator with an Integrated LC Resonator" dans "1997 IEEE International Solid-State Circuits Conference, ISSCC97 / Session 23 / Analog Techniques / Papers SP 23.7, 8 février 1997", pages 390 et 391, repose sur un oscillateur Colpitts différentiel. Celui-ci est constitué aussi de transistors bipolaires et présente pour cette raison le même problème, qui a déjà été décrit en liaison avec le premier circuit VCO connu. Le troisième circuit VCO connu à cet égard, qui renvoie un article de s Jan Craninckx et Michel S.J. Steyaert: "A 1.8-Ghz CMOS Low-Phase-Noise Voltage-Controlled Oscillator with Prescaler" dans "IEEE Journal of Solid State Circuits", Vol. 30, N . 12, décembre 1995, pages 1474 à 1482, est, contrairement aux deux premiers circuits VCO intégrés dont il a été question dans ce qui précède, constitué de transistors CMOS. On utilise dans le circuit résonnant une inductance à fil métallique de bonding, ce qui constitue un point faible de cette technique en raison de la reproductibilité de la valeur de l'inductance qui n'est pas très bonne. Le circuit pour compenser l'atténuation du circuit oscillant n'est pas décrit plus en détail dans l'article. On peut supposer que l'on utilise aussi ici un type NIC. L'inconvénient des transistors CMOS est le bruit 1/f relativement grand de ce type de transistor. La fréquence limite du bruit 1/f est, pour des transistors CMOS, de manière caractéristique dans le domaine des MHz, en revanche elle se trouve dans le domaine des kHz pour des transistors bipolaires. L'avantage du transistor CMOS est la transconductance "gm" relativement basse, qui rend petite de manière négligeable la contribution du bruit à l'instant de commutation de l'interrupteur de courant. L'invention vise à indiquer des mesures, par lesquelles on peut obtenir de manière sûre, I'entière intégration d'un oscillateur (VCO) commandé en tension, que l'on fait fonctionner dans le domaine des UHF, en respectant les exigences posées par des normes existantes, notamment de la norme DECT, notamment en ce qui concerne la gigue de phase, tout en tenant compte des fluctuations de paramètres du processus à semi-conducteur. La grandeur critique dans la norme DECT est la gigue de phase du VCO pour une modulation à 4,7 MHz (troisième canal voisin). Celle-ci est de -132 dBc/Hz suivant la spécification et doit, par conséquent, être ajustée dans le circuit oscillateur VCO à réaliser par au moins -140 dBc/Hz, afin d'assurer le respect de la spécification, même avec des fluctuations de paramètres du processus à semi-conducteur. On y parvient, dans un dispositif du genre mentionné au début du présent mémoire, par le fait que le rétrocouplage du circuit NIC est réalisé par un couplage de courant alternatif des deux sorties, et par le fait qu'il n'est prévu des transistors bipolaires que pour les transistors de sources de courant, mais qu'il est prévu en revanche des transistors CMOS dans l'interrupteur de courant. s Suivant un perfectionnement avantageux de l'invention, le circuit oscillant est formé par un circuit oscillant différentiel a structure symétrique, comportant deux diodes intégrées à capacité variable, deux condensateurs et une inductance en spirale intégrée commune. Suivant un perfectionnement avantageux de l'invention, le circuit o0 oscillant est obtenu dans un procédé à semi-conducteur BiCMOS. Une possibilité avantageuse d'utilisation du circuit oscillant consiste à l'utiliser comme oscillateur UHF dans des dispositifs radio, dans un système DECT (Digital European Cordless Telecommunications) ou dans un système radio d'un genre analogue. L'invention est explicitée dans ce qui suit à l'aide d'un exemple de réalisation avantageux dont le circuit est représenté à une figure annexée. On utilise comme circuit oscillant symétrique à structure différentielle, dans l'oscillateur VCO entièrement intégrable représenté à la figure, une inductance L en spirale intégrée en parallèle avec deux diodes V1 et V2 intégrées à capacité variable. Il y a de plus dans le circuit oscillant deux condensateurs Cl et C2, disposés de manière symétrique l'un par rapport à l'autre. La tension Ur de régulation du VCO déterminant la fréquence est envoyée à l'entrée 1 et s'applique à la transition PN des deux diodes V1 et V2 à capacité variable, par lesquelles la capacité totale du circuit oscillant, et donc sa fréquence d'oscillation, peut être modifiée. Le circuit oscillant est compensé en atténuation par un type de circuit NIC (Negative Impedance Converter), qui introduit une résistance réelle négative dans le circuit oscillant. Mais le rétrocouplage du circuit NIC n'est pas obtenu par l'intermédiaire d'un montage émetteur-suiveur, mais par l'intermédiaire d'un couplage de courant alternatif des deux sorties à l'aide des deux capacités C3 et C4. On utilise en l'occurrence comme transistor de source de courant un transistor bipolaire et, en fait, dans le cas particulier, un circuit en parallèle de transistors T1 à T4 bipolaires. Par cette mesure, on tire parti ici des avantages du petit bruit 1/F des transistors bipolaires, ce qui est avantageux notamment pour le réglage du point de fonctionnement. Le signal STROM de courant est envoyé à la source de courant à une entrée 2. Il est utilisé dans l'interrupteur de courant deux transistors T5 et T6 s CMOS, afin de tirer parti de la plus petite transconductance "gm" (lc/UT) de ce type de transistor. La transconductance "gm" relativement basse des transistors CMOS rend petite de manière négligeable la contribution au bruit à l'instant de commutation de l'interrupteur de courant. Les oscillations OUTP et OUTN de sortie sinusoïdales différentielles sont prélevées aux sorties 3 et 4 dans le circuit oscillant régulé en tension représenté à la figure. Une tension V0c continue de fonctionnement sert, en liaison avec des transistors supplémentaires, que l'on n'a pas à expliciter en détail, à l'alimentation en tension appropriée du circuit oscillant représenté. Il est désigné par GND le pôle de masse du circuit oscillant entièrement intégrable qui est représenté. Par le branchement décrit dans l'exemple de réalisation d'un VCO suivant l'invention, on peut obtenir, dans une utilisation pour la norme DECT, de meilleures valeurs dans la gigue de phase, pouvant aller jusqu'à 7 dB de mieux, notamment jusqu'à -146 dBc/Hz pour une modulation à 4,7 Mhz par la porteuse, qu'avec un circuit oscillant VCO entièrement intégré qui n'est constitué que de transistors bipolaires. Il s'avère aussi que, pour un oscillateur entièrement intégré, constitué uniquement en technique bipolaire, les transistors de l'interrupteur de courant sont les éléments limitants, alors que, en revanche, dans l'oscillateur BiCMOS, ce sont les éléments parasitaires de l'inductance de circuit oscillant. Liste des signes de référence Cl,C2 capacités dans le circuit oscillant C3,C4 capacités servant au couplage de courant alternatif GND masse L inductance en spirale OUTP,OUTN oscillations de sortie différentielles STROM signal de courant d'entrée T1 à T4 transistors bipolaires o0 T5, T6 transistors CMOS Ur tension de régulation V1,V2 diodes à capacité variable Vcc tension continue de fonctionnement 1 entrée pour la tension de régulation is 2 entrée pour la tension d'alimentation 3,4 sorties de l'oscillateur REVENDICATIONS 1. Circuit oscillant commandé en tension (VCO; Voltage Controlled Oscillator) entièrement intégrable pour la production d'oscillations UHF s sinusoïdales, qui comporte des transistors bipolaires et dans lequel une inductance en spirale intégrée, branchée en parallèle avec une diode intégrée à capacité variable a la transition PN de laquelle s'applique la tension de régulation du VCO déterminant la fréquence de résonance, est prévue comme circuit oscillant qui est compensé en atténuation par ce que l'on appelle un circuit NIC (Negative Impedance Converter) rétrocouplé, qui introduit une résistance réelle négative dans le circuit oscillant, caractérisé en ce que le rétrocouplage du circuit NIC est réalisé par un couplage (C3,C4) de courant alternatif des deux sorties, et en ce qu'il n'est prévu des transistors (T1 à T4) bipolaires que pour les transistors de sources de courant, mais qu'il est prévu en revanche des transistors (T5 à T6) CMOS dans l'interrupteur de courant. 2. Circuit oscillant suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit oscillant est formé par un circuit oscillant différentiel de structure symétrique, comportant deux diodes (V1,V2) intégrées à capacité variable, deux condensateurs (C1,C2) et une inductance (L) en spirale intégrée commune. 3. Circuit oscillant suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par une production dans un procédé à semi-conducteur BiCMOS. 4. Circuit oscillant suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par une utilisation comme oscillateur (UHF) dans des installations radio, dans un système DECT (Digital European Cordless Telecommunications) ou un système radio d'un genre analogue.