Brevet FR2864733A1 — publié le 20050701

Boucle à verrouillage de phase intégrable dotée d'un résonateur acoustique 5 Domaine technique de l'invention La présente invention concerne les circuits microélectroniques et notamment une boucle à verrouillage de phase intégrable dans un circuit intégré et dotée d'un résonateur acoustique. Etat de la technique Les boucles à verrouillage de phase ou Phase Locked Loop (PLL) sont des circuits électroniques très courants qui sont utilisés dans maintes applications. Elles sont utilisées tout particulièrement dans les systèmes de télécommunication et notamment en téléphonie mobile où l'on recherche l'intégration croissante des circuits électroniques de l'émetteur et du récepteur au sein d'un même produit semi-conducteur. Le document suivant Design techniques for automatically Tuned Intearated Gigahertz-Ranqe Active LC Filters , Dandan Li, Yannis Tsividis, IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. 37, N 8, August 2002 décrit une technique d'asservissement utilisant une boucle à verrouillage de phase. Le brevet US 2004/0033794 intitulé Resonator configuration, , publié le 19 Février 2004 décrit un procédé permettant d'accorder un résonateur disposé sur un circuit intégré au moyen d'un second résonateur de référence placé, lui également, sur le même substrat. Le résonateur de référence est utilisé dans un circuit de type VCO (Voltage Control Oscillator) pour générer une fréquence d'oscillation locale. ST03-GR1-514 Ce brevet laisse sous licence la manière concrète de procéder pour réaliser un accord précis et efficace du circuit utilisant le résonateur. Avec le développement des techniques les plus récentes en matière de communication, et notamment en téléphonie mobile, on recherche la réalisation de boucle à verrouillages de phase plus performantes que les boucles que l'on connaît basées sur des composants passifs et des transistors et qui autorisent cependant une intégration complète sur un même substrat de silicium. C'est l'objet de la présente invention. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de proposer une boucle à verrouillage de phase performante, dotée d'un résonateur acoustique et susceptible d'être intégrée dans un produit semi-conducteur. Un autre but de la présente invention consiste à proposer une boucle à 20 verrouillage de phase complètement intégrable et adaptée aux communications mobiles. L'invention réalise ces buts au moyen d'une boucle de verrouillage de phase intégrable dans un produit semi-conducteur comportant: - un comparateur de phase ayant une première entrée et une seconde entrée et une sortie, ladite première entrée recevant une fréquence de référence; un filtre passe-bas ayant une entrée connectée à ladite sortie dudit comparateur de phase et ayant une sortie générant ladite grandeur électrique de commande (Vtune) - un circuit oscillant générant un signal de fréquence prédéterminée à asservir comportant un résonateur acoustique de type BAW disposant d'une fréquence de résonance et d'une fréquence d'anti-résonance; ST03-GRI-514 - un bloc diviseur ayant une entrée recevant le signal oscillant et une sortie connectant à ladite seconde entrée dudit comparateur de phase La boucle de verrouillage de phase selon l'invention est caractérisée en ce que le résonateur de type BAW est associé à un premier élément compagnon de type inductif calé sur le voisinage desdites fréquences de résonance et d'antirésonance et est associé à un second élément compagnon de type capacitif réglable permettant de régler les caractéristiques dudit résonateur acoustique. Les deux éléments compagnons sont susceptibles d'être réglables via la grandeur électrique (Vtune) . On obtient de cette manière une boucle à verrouillage de phase performante, prenant appui du fort coefficient de qualité offert par le résonateur de type BAW, et 15 complètement intégrable sur un même substrat. Dans un mode de réalisation particulier, le premier élément compagnon est une inductance spirale placée sur le même substrat semi-conducteur et calée dans un voisinage des fréquences de résonance et d'antirésonance. De préférence, le premier élément compagnon est une inductance active composée d'un gyrator et d'un élément capacitif, l'un des éléments étant réglable par ladite grandeur électrique de commande. Dans un autre mode de réalisation, le second élément compagnon est un varactor ajustable par ladite grandeur électrique de commande. Dans un autre mode de réalisation préféré, le gyrateur comporte une paire d'amplificateur à trans-conductance dont le point de polarisation est fixé par ladite 30 grandeur électrique. ST03-GR1-514 Description des dessins D'autres caractéristiques, but et avantages de l'invention apparaîtront à la 5 lecture de la description et des dessins ci-après, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Sur les dessins annexés: La figure la illustre une courbe d'impédance d'un résonateur acoustique de type BAW. Les figures 1 b et 1c rappellent le schéma électrique équivalent du résonateur acoustique de type BAW, respectivement suivant la représentation série et parallèle. Les figures 2A et 2B illustrent deux modes de réalisation d'un composant acoustique réglable qui est commandé par un signal électrique. La figure 3 illustre un mode de réalisation préféré d'une boucle à verrouillage de phase intégrant le résonateur acoustique réglable des figures 2A et 2B. Les figures 4A et 4B décrivent respectivement la commande du composant au moyen d'un varactor et d'une inductance active. La figure 4c illustre un mode de réalisation d'une inductance active variable 25 flottante. Description d'un mode de réalisation préféré On décrira à présent plus particulièrement un mode de réalisation d'un circuit comportant un résonateur intégré conforme à la présente invention, et adapté à la réalisation d'un circuit de réception d'un signal RF utilisable notamment en téléphonie mobile. ST03-GR1-514 En téléphonie mobile, et notamment dans les applications les plus récentes telles que le Wide Code Division Multiplexing Access (WCDMA) , on rencontre la nécessité d'opérer un filtrage particulièrement performant afin de pouvoir séparer des canaux particulièrement proches. Il est à noter qu'il ne s'agit là que d'un exemple non limitatif d'utilisation du nouveau composant acoustique intégrable dont on va à présent exposer les caractéristiques. L'invention utilise un nouveau composant acoustique, ci-après désigné par l'expression Composant Résonateur Réglable - tel que décrit dans la demande de brevet français n 0315480 (ref 03-GR1-267) déposée le 29 Décembre 2003, et dont on reprendra ci-après à des fins de clarté les caractéristiques principales. A cet effet, on utilise un résonateur acoustique basé sur un milieu diélectrique disposé sur un élément réfléchissant tel un récepteur ou miroir de Bragg par exemple. On réalise un empilement de couches sur un substrat en silicium qui présente des propriétés acoustiques et des constantes diélectriques différentes. Un tel élément acoustique est connu dans la littérature anglo-saxonne sous l'appellation Surface Mounted Resonator (SMR). Alternativement, le résonateur pourra être de type Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR), à savoir disposé au dessus d'une cavité pour permettre la réflexion des ondes acoustiques et éviter leur amortissement. Le résonateur BAW présente deux fréquences de résonance très proches, respectivement fs (série) et fp (parallèle), comme cela est illustré dans la figure la. Si l'on se ramène à un schéma électrique équivalent qui est représenté dans la figure 1 b, cela revient à considérer deux circuits résonants de type LC, respectivement série et parallèle, composés des éléments Lm, Cm et CO. Dans l'approche connue, les deux circuits résonants sont employés simultanément à des fins de filtrage comme c'est le cas par exemple dans le document RF MEMS Circuit Design for Wireless Communications , Hector J; De Los Santos, Artech House, ISBM 1-58033 329-9, 2002, p. 163 et s. ST03-GR1-514 Au contraire, dans la nouvelle approche qui est proposée, le CRR comporte un résonateur de type BAW qui est associé à au moins deux éléments compagnons et, de préférence, à un premier élément compagnon de type inductif, variable ou non, actif ou passif, et à un second élément compagnon de type capacitif, en général variable. De façon surprenante, on a constaté qu'il y avait un grand avantage à choisir le premier élément compagnon de type inductif de façon à être calé dans un voisinage des fréquences de résonance et d'anti-résonance. Dans un mode de réalisation particulier, on utilisera une inductance spirale directement intégrée sur le substrat silicium. Alternativement, le premier élément compagnon est une inductance variable dans le voisinage des fréquences de résonance et d'antirésonance, en fonction 15 d'une grandeur électrique Vtune. Le second élément compagnon est de type capacitif et est en général variable, lui également en fonction d'une grandeur électrique, par exemple la grandeur Vtune. En venant commander ladite grandeur électrique Vtune on peut modifier considérablement les caractéristiques du Composant Résonateur Réglable composé du résonateur acoustique et de ses deux élément compagnons. D'une manière surprenante, on observe que la combinaison des deux éléments compagnons ainsi choisis permettent de régler dans une large mesure les caractéristiques du CRR, et notamment de tout circuit électronique intégré le comportant, sans trop affecter les performances globales (fréquences de résonance et d'antirésonance, facteur de qualité) de ce même circuit. On peut alors venir corriger les imprécisions du procédé de fabrication et la dépendance en termpérature et, même, disposer d'un moyen de réglage sur le nouveau composant acoustique. ST03-GR1-514 La figure 2A illustre un premier mode de réalisation d'un CRR dans lequel on vient travailler sur la résonance série d'un résonateur BAW 212. On dispose ainsi, en parallèle sur le résonateur 212, une inductance 213 qui est variable de manière à pouvoir être ajustée pour entrer en résonance avec la capacité parallèle de ce même résonateur, proche de la fréquence notée fp, ou dans un voisinage de cette même fréquence. On peut dès lors travailler convenablement sur la résonance série et commander la fréquence de résonance au moyen d'un élément de réglage capacitif 10 211. La figure 2B correspond à un second mode de réalisation d'un CRR dans lequel on vient à présent travailler sur la fréquence parallèle d'un résonateur BAW 222. A cet effet, on dispose cette fois en série avec ce dernier une inductance 223, à nouveau variable de manière à pouvoir être ajustée pour entrer en résonance avec la capacité série équivalente (C2) proche de la fréquence notée fs du résonateur de la figure 1c, ou dans un voisinage de cette fréquence. On branche ensuite, en parallèle sur les deux éléments en série, un élément de réglage capacitif 221 de manière à venir interagir avec la résonance parallèle du résonateur 222 et la régler la fréquence fp. On parvient ainsi, grâce à l'action combinée des deux éléments compagnons 221 et 223, à ajuster dans une large gamme la fréquence de travail au moyen de l'élément de réglage, 211 ou 221 selon le cas. II y a donc une véritable coopération entre l'inductance 213 (resp. 223) qui, en venant interférer dans un voisinage des deux fréquences de résonance et d'antirésonance du résonateur acoustique, permet de renforcer l'effet de réglage capacitif effectué par 211 (resp. 221). Ce composant résonateur réglable offre une grande flexibilité. II est parfaitement intégrable dans un produit semi-conducteur et se prête tout particulièrement à la réalisation d'une boucle à verrouillage de phase, lui conférant ST03-GR1-514 2864733 -8 performance du fait du fort coefficient de qualité du résonateur acoustique, associé à ses deux éléments compagnons. La figure 3 illustre la boucle de verrouillage de phase conformément à la 5 présente invention, intégrant le composant résonateur réglable BAW. La boucle comporte un comparateur de phase 31 ayant une première entrée 30 recevant une fréquence de référence. Le comparateur de phase 31 dispose d'une seconde entrée recevant la sortie d'un élément diviseur 34. En sortie, le comparateur de phase attaque un filtre passe-bas 32, lequel génère en sortie un potentiel Vtune qui est utilisé pour commander l'un des éléments compagnons du composant résonateur réglable. Dans un mode de réalisation particulier, tel qu'illustré à la figure 4a, l'élément compagnon capacitif associé au résonateur de type BAW est un varactor 40 dont la commande est assurée par le potentiel Vtune. Alternativement, ou cumulativement, tel qu'illustré en figure 4b, l'élément compagnon inductif associé au résonateur de type BAW est une inductance active réalisée au moyen d'une paire d'amplificateurs à transconductance 41 et 42, chargée par une capacité 43. De préférence, la capacité 43 est encore un varactor commandé par le potentiel Vtune. On peut également utiliser le potentiel Vtune pour venir fixer le point de polarisation des amplificateurs à trans-conductance 41 et 42 et, ainsi, venir régler la valeur de l'inductance active. L'homme du métier pourra envisager toute autre possibilité de réalisation des éléments compagnons du résonateur BAW. En particulier, il pourra combiner deux éléments gyrateurs pour réaliser un élément inductif variable flottant entre deux électrodes 50 et 60, tel que représenté dans la figure 4c. A cet effet, on insère entre l'électrode 50 et la capacité 53 un premier gyrateur formé de deux amplificateurs de transconductance 51 et 52 qui sont montés tête-bêche, le second amplificateur introduisant une inversion de polarité. D'une manière similaire, on insère entre l'électrode 60 et la capacité 53 un second gyrateur formé de deux amplificateurs de ST03-GRI- 514 transconductance 54 et 55 montés également tête-bêche avec le second amplificateur introduisant une inversion de polarité. En revenant à la figure 3, on voit que le composant résonateur 33 est intégré dans un système oscillant et génère en sortie une fréquence qui est transmise au bloc diviseur 34 assurant une division par un nombre N supérieur ou égal à 1, fixe ou variable, entier ou fractionnaire. On obtient ainsi une fréquence d'oscillation qui est un multiple de N fois la 10 fréquence d'entrée de la boucle et qui est asservie sur cette fréquence. ST03-GR1-514 Revendications 1. Boucle à verrouillage de phase intégrable dans un produit semiconducteur comportant: - un comparateur de phase (31) ayant une première entrée et une seconde entrée et une sortie, ladite première entrée recevant une fréquence de référence; - un filtre passe-bas (32) ayant une entrée connectée à ladite sortie dudit comparateur de phase (31) et ayant une sortie générant ladite grandeur électrique de commande (Vtune) ; - un circuit oscillant générant un signal de fréquence prédéterminée à asservir comportant un résonateur acoustique de type BAW (33) disposant d'une fréquence de résonance et d'une fréquence d'anti-résonance; - un bloc diviseur (34) ayant une entrée recevant le signal oscillant et une sortie connectant à ladite seconde entrée dudit comparateur de phase (31). caractérisé en ce que ledit résonateur de type BAW est associé à un premier élément compagnon de type inductif calé sur le voisinage desdites fréquence de résonance et d'antirésonance et est associé à un second élément compagnon de type capacitif réglable permettant de régler les caractéristiques dudit résonateur acoustique. 2. Boucle à verrouillage de phase intégrable selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit résonateur acoustique de type BAW est situé sur le même substrat que celui occupé par ladite boucle. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le premier élément compagnon est une inductance spirale placée sur le même substrat semi-conducteur. 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit premier élément compagnon est une inductance active composée d'un gyrateur et d'un élément capacitif. ST03-GR1-514 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit second élément compagnon est un varactor ajustable par ladite grandeur électrique de commande. 6. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite grandeur 5 électrique est transmise au gyrateur pour fixer son point de polarisation. 7. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit second élément compagnon est un varactor commandé par ladite grandeur électrique de commande. ST03-GR1-514