Brevet FR2864726A1 — publié le 20050701

Boucle à verrouillage d'amplitude intégrable dotée d'un résonateur acoustique Domaine technique de l'invention La présente invention concerne les circuits microélectroniques et notamment une boucle à verrouillage d'amplitude intégrable dans un circuit intégré et dotée d'un résonateur acoustique. Etat de la technique Les boucles à verrouillage d'amplitude (Amplitude Locked Loop dans la littérature anglo-saxonne) sont des circuits particulièrement utiles dans maintes 15 applications. On les retrouve en particulier dans les systèmes de communications, et notamment en téléphonie mobile où l'on recherche l'intégration croissante des composants formant l'émetteur et le récepteur d'un système de communication mobile. Le document A 1.9 Ghz Image-Reiect Front-End with Automatic Tuninq in a 0.15um CMOS Technology" , Mustafa H. Koroglu et al, 2003 IEEE International Solid-State Circuits Conference, 0-7803-7707-9/03 décrit une technique d'asservissement utilisant une boucle de type ALL. 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 d'amplitude 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. Tel est l'objet de la présence invention. 03-GR1-516 rel2 Exposé de l'invention La présente invention a pour but de proposer une boucle à verrouillage d'amplitude performante, dotée d'un résonateur acoustique et susceptible d'être 5 intégrée dans un produit semi-conducteur. L'invention réalise ces buts au moyen d'une boucle à verrouillage d'amplitude (ALL) comportant: - un circuit comparateur ayant une première entrée, une seconde entrée et une sortie, ladite première entrée recevant une grandeur électrique de référence; - un filtre de boucle ayant une entrée connectée à ladite sortie dudit circuit comparateur et ayant une sortie générant un potentiel électrique de commande (Vtune) - un circuit générant une grandeur électrique à asservir transmise à ladite seconde 15 entrée dudit circuit comparateur. Le circuit selon l'invention comporte un composant résonateur réglable, doté d'un résonateur acoustique de type BAW disposant d'une fréquence de résonance et d'une fréquence d'antirésonance, ledit résonateur étant associé à un premier élément compagnon de type inductif calé sur un voisinage desdites fréquences de résonance et d'antirésonance et un second élément compagnon de type capacitif permettant de régler ladite première fréquence de résonance, ledit au moins premier composant résonateur étant réglable via ladite grandeur électrique de commande (Vtune) 25 Préférentiellement, le premier élément compagnon est une inductance active composée d'un gyrateur et d'un élément capacitif, variable ou non. Dans un mode de réalisation préféré, ledit élément capacitif est un varactor 30 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 grandeur électrique. 03-GR1-516 re12 On réalise ainsi une boucle de verrouillage d'amplitude extrêmement performante, prenant appui sur le fort coefficient de qualité du résonateur acoustique, et complètement intégrable. Description des dessins D'autres caractéristiques, but et avantages de l'invention apparaîtront à la 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 15 type BAW. Les figures lb 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 25 d'amplitude 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 flottante. 03-GR1 -516 re12 Description d'un mode de réalisation préféré On décrit à présent un mode de réalisation préféré de l'invention permettant 5 l'intégration complète d'une boucle a verrouillage de phase avec un composant résonateur de type BAW. A cet effet, on 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 lb, 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 Flouse, ISBM 1-58033 329-9, 2002, p. 163 et s. 03-GR1 -5 16 re12 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 VtuneÉ 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 température et, même, disposer d'un moyen de réglage sur le nouveau composant acoustique. 03-GR1-516 re12 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 s 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). Il en résulte alors un nouveau composant résonateur réglable, doté d'un résonateur BAW offrant un fort coefficient de qualité, associé à ses deux éléments compagnons. 03-GR1-516 re12 Ce composant résonateur réglable offre une grande flexibilité. II est parfaitement intégrable dans un produit semiconducteur et se prête tout particulièrement à la réalisation d'une boucle à verrouillage d'amplitude, prenant appui sur le fort coefficient de qualité du résonateur acoustique, associé à ses deux éléments compagnons. La figure 3 illustre la boucle à verrouillage d'amplitude intégrant le composant résonnateur, conforme à l'invention. A cet effet, le circuit comporte un comparateur de tension 31 ayant une première entrée 30 recevant un potentiel de référence qui sera le plus stable possible. Le comparateur 31 dispose d'une seconde entrée recevant un potentiel résultant du fonctionnement d'un circuit à réponse à phase linéaire, de type filtre, utilisant un composant CRR réglable doté de ses deux éléments compagnons, tels que décrits précédemment. Le comparateur 31 fournit en sortie une erreur qui est filtrée par un filtre de boucle 32 généralement un filtre passe-bas lequel génère un potentiel de commande Vtune qui est transmis aux électrodes de commandes du composant CRR 33. Dans un mode de réalisation préféré, le potentiel de commande Vtune est transmis à la commande d'un varactor, tel que représenté par l'élément 40 dans la figure 4a, lequel est utilisé pour réaliser l'élément capacitif compagnon du résonateur BAW. Alternativement, le potentiel de commande pourra être transmis à la commande du point de polarisation d'un ensemble gyrateur-capacité afin de réaliser une inductance active commandée comme cela est représenté dans la figure 4b où l'on voit une paire d'amplificateurs à transconductance 41 et 42, montés tête bêche, et venant attaquer une capacité 43. La figure 4c illustre la réalisation d'une inductance active variable et flottante qui pourra être utilisée 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 03-GR1-516 rel2 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 transconductance 54 et 55 montés également tête-bêche avec le second amplificateur introduisant une inversion de polarité. Quelque soit la manière utilisée, on asservit ainsi le point de fonctionnement du composant résonateur variable, au sein de la boucle à verrouillage d'amplitude. 03-GR1-516 re12 Revendications 1. Boucle à verrouillage d'amplitude (ALL) comportant: - un circuit comparateur (31) ayant une première entrée et une seconde entrée et une sortie, ladite première entrée recevant une grandeur électrique de référence; - un filtre de boucle (32) ayant une entrée connectée à ladite sortie dudit circuit comparateur (31) et ayant une sortie générant une grandeur électrique de commande (Vtune) ; - un circuit générant une grandeur électrique à asservir transmise à ladite seconde entrée dudit circuit comparateur (610), ledit circuit réalisant un filtre ayant une réponse de phase linéaire, caractérisé en ce que le dit circuit comporte un composant résonateur acoustique doté d'un résonateur de type BAW (33) disposant d'une fréquence de résonance et d'une fréquence d'antirésonance, ledit résonateur étant associé à un premier élément compagnon de type inductif calé sur un voisinage desdites fréquences de résonance et d'antirésonance et un second élément compagnon de type capacitif permettant de régler ladite première fréquence de résonance, ledit au moins premier composant résonateur étant réglable via ladite grandeur électrique de commande (Vtune) . 2. Boucle à verrouillage d'amplitude selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit résonateur de type BAW est localisé sur le même substrat que ladite boucle. 3. Boucle à verrouillage d'amplitude 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. 4. Boucle à verrouillage d'amplitude selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit élément capacitif est un varactor ajustable par ladite grandeur électrique de commande. 03-GR1-516 19 Aout 2004 5. Boucle à verrouillage d'amplitude selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite grandeur électrique est transmise au gyrateur pour fixer son point de polarisation. 03-GR1-516 re12