Brevet FR2877163A1 — publié le 20060428

REGLAGE DU RAPPORT D'IMPEDANCES D'UN BALUN Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des transformateurs à changement de mode, habituellement appelés baluns (de l'anglais balance-unbalance). De tels transformateurs sont destinés à convertir un signal de mode commun (référencé à la terre) en un signal de mode différentiel et inversement, et à éviter des perturbations introduites par un plan de masse du circuit, un couplage parasite, etc. Un exemple d'application de transformateurs à changement de mode du type auquel s'applique la présente invention concerne les baluns équipant les téléphones portables qui sont chargés de convertir les signaux reçus par l'antenne du téléphone en signaux exploitables par ses circuits et, dans le sens inverse, de permettre l'émission des signaux par l'antenne. Exposé de l'art antérieur La figure 1 représente, de façon très schématique, le schéma bloc d'un transformateur à changement de mode 1 (BALUN), et la figure 2 représente son schéma électrique équivalent. Ce transformateur comporte un accès 2 de mode commun, généralement relié à une antenne 3, et deux accès 4 et 5 de mode différentiel destinés à être connectés à des circuits de traitement de signaux reçus ou à émettre. Electriquement, le transformateur 1 est équivalent à quatre inductances Li, L2, L3 et L4 (figure 2) associées en série deux à deux, chaque inductance d'une branche (mode commun ou mode différentiel) étant couplée à une inductance de l'autre branche. Par exemple, deux inductances Li et L2 sont en série entre l'accès de mode commun 2 et un accès 6 généralement laissé en l'air. Deux inductances L3 et L4 sont en série entre les accès de mode différentiel 4 et 5, le point milieu de cette association en série étant généralement connecté à la masse 7. Les baluns se répartissent en trois catégories. Une première catégorie concerne les baluns dits distribués constitués de lignes de transmission couplées l'une à l'autre. Une deuxième catégorie concerne les baluns dits actifs constitués de transistors. Une troisième catégorie concerne les baluns dits à éléments localisés constitués d'éléments inductifs et le cas échéant capacitifs discrets. La présente invention concerne les baluns distribués de la première catégorie. Les baluns distribués sont généralement réalisés au moyen de pistes conductrices déposées sur un substrat. Ces pistes ont la forme d'enroulements plans formant les éléments inductifs et ont des longueurs fonction, notamment, de la plage de fréquences de fonctionnement souhaitée pour le balun. L'invention concerne plus particulièrement les baluns dits de type Marchand dont les enroulements conducteurs plans ont des longueurs qui sont fonction du quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande passante souhaitée pour le balun. Un problème qui se pose dans le montage d'un balun dans la chaîne d'émission-réception radiofréquence à laquelle il est destiné vient de l'adaptation d'impédances entre les différents éléments. La figure 3 représente un exemple classique de montage d'un balun 1 tel que décrit précédemment dans son environnement applicatif. Les accès 4 et 5 de mode différentiel sont destinés à être connectés à des bornes d'entrée-sortie d'un circuit 8 (IC), généralement un circuit intégré d'exploitation et de génération des signaux de communication. La connexion entre le balun 1 et le circuit 8 s'effectue généralement par l'intermédiaire au moins d'un élément 9 (Z) d'adaptation d'impédances et, le cas échéant d'un filtre (non représentés) . Pour simplifier, la masse 7 n'a pas été représentée en figure 3. L'élément d'adaptation d'impédances 9 a un rapport d'impédances unitaire (par exemple, 50 ohms/50 ohms, ohms/200 ohms, etc.) ou non (par exemple, 50 ohms/100 ohms, 400 ohms/75 ohms, etc.) selon les besoins de l'application. L'insertion d'un élément d'adaptation d'impédances entre le balun et les circuits exploitant ses signaux nuit au besoin de miniaturisation des systèmes électroniques. Il serait donc souhaitable de pouvoir les combiner. Mais, les objectifs de dimensionnement d'un transformateur à changement de mode sont a priori incompatibles avec ceux d'un adaptateur d'impédance, notamment pour les baluns distribués. En particulier, dans un balun distribué du type auquel s'applique la présente invention, le respect des longueurs des enroulements en fonction du quart de longueur d'onde est indispensable au fonctionnement correct du balun. Si cela peut convenir pour un rapport d'impédances unitaire, un rapport d'impédances non unitaire requiert généralement des éléments inductifs de valeurs différentes les uns des autres. On a envisagé d'augmenter le nombre de spires d'un côté par rapport à l'autre du transformateur (d'une branche par rapport à l'autre), ce qui entraîne une augmentation des inductances d'un côté par rapport à l'autre, donc un changement du rapport d'impédances. Une telle solution est toutefois incompatible avec le fonctionnement correct d'un balun distribué dans la mesure où le nombre de spires doit être préférentiellement le même côté mode commun et côté mode différentiel pour respecter les autres caractéristiques du balun. Résumé de l'invention La présente invention vise à proposer un transformateur à changement de mode de type distribué à rapport d'impédances non unitaire. L'invention vise également à proposer une solution qui permette de modifier le rapport d'impédances sans nuire au fonctionnement du transformateur. L'invention vise également à proposer une structure de balun à rapport d'impédances non unitaire intégrable. L'invention vise en outre à proposer une structure de balun dans laquelle le changement du rapport d'impédances entre deux baluns requiert peu de modifications. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un transformateur à changement de mode de type distribué, constitué d'enroulements conducteurs plans définissant des éléments inductifs comprenant: dans un premier niveau conducteur, un premier enroulement entre un premier accès de mode commun et une première extrémité centrale et un deuxième enroulement entre un premier accès de mode différentiel et une deuxième extrémité centrale; dans un deuxième niveau conducteur, un troisième enroulement dont une extrémité centrale est électriquement reliée à la première extrémité centrale du premier niveau et dont une extrémité externe définit un deuxième accès,de mode commun, et un quatrième enroulement dont une extrémité externe définit un deuxième accès de mode différentiel et dont une extrémité centrale est électriquement reliée à la deuxième extrémité centrale du premier niveau; et un troisième niveau conducteur constituant un plan de masse auquel sont électriquement reliées les extrémités centrales interconnectées des deuxième et quatrième enroulements de mode différentiel, l'extrémité externe du troisième enroulement étant 35 électriquement reliée à une surface définissant une première électrode d'un condensateur dont une deuxième électrode est connectée au plan de masse, et la valeur du condensateur étant choisie en fonction du rapport d'impédances souhaité pour le transformateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, tous les enroulements conducteurs ont des mêmes dimensions, choisies en fonction de la fréquence centrale de fonctionnement souhaitée pour le transformateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 10 la deuxième électrode du condensateur est formée directement par le plan de masse. L'invention prévoit également un procédé de modification du rapport d'impédances d'un transformateur à changement de mode de quatre enroulements conducteurs formés dans deux plans de métallisation empilés en étant interdigités et électriquement en série deux à deux, consistant à connecter un condensateur en série avec les deux enroulements définissant le mode commun du transformateur. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 à 3 qui ont été décrites précédemment sont destinées à exposer l'état de la technique et le problème posé ; la figure 4 est une vue en perspective éclatée des différentes couches constitutives d'un transformateur à changement de mode selon un mode de réalisation préféré de la présente invention; la figure 5 est une vue de dessus du transformateur à changement de mode de la figure 4; et la figure 6 représente le schéma équivalent du 35 transformateur à changement de mode des figures 4 et 5. Description détaillée Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures qui ont été tracées sans respect d'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. En particulier, les circuits connectés en amont et en aval d'un transformateur à changement de mode selon l'invention n'ont pas été détaillés, l'invention étant compatible avec toute utilisation classique d'un tel transformateur. Une caractéristique de la présente invention est de réaliser le transformateur à changement de mode sous la forme d'enroulements conducteurs empilés et interdigités deux à deux, de préférence tous de mêmes longueurs choisies en fonction de la bande passante souhaitée pour le balun, et de prévoir une capacité en série avec les enroulements de mode commun pour régler le rapport d'impédances du transformateur. La figure 4 représente, de façon très schématique et par une vue en perspective éclatée, un mode de réalisation d'un transformateur à changement de mode selon la présente invention. Cette figure sera décrite en même temps que la figure 5 qui est une vue de dessus du transformateur à changement de mode de la figure 4 et que la figure 6 qui en représente le schéma électrique équivalent. Le transformateur 10 de l'invention comporte quatre spires inductives (inductances Li, L2, L3 et L4, figure 6) constituées chacune d'un enroulement plan 21, 22, 23 ou 24 (figures 4 et 5) d'une ligne conductrice. Ces quatre enroulements plans sont formés dans deux niveaux conducteurs 11 et 12 (figure 5) séparés l'un de l'autre par un matériau isolant (non représenté). Un troisième niveau conducteur 13 (par exemple, inférieur) sert de plan de masse. Dans l'exemple représenté aux figures, une première inductance L1 de la branche de mode commun (désigné également primaire du transformateur) est formée par l'enroulement conducteur plan 21 dans le premier niveau 11 (arbitrairement supérieur) entre un plot 32 externe constituant l'accès de mode commun 2 du balun et une extrémité centrale 31 à connecter à l'inductance L2. Par exemple, l'enroulement 21 est dans le sens des aiguilles d'une montre de l'extérieur vers l'intérieur. L'inductance L1 est couplée à une première inductance L3 de la branche différentielle (désignée également secondaire du transformateur), constituée de l'enroulement conducteur plan 23 réalisé dans le premier niveau 11 en étant interdigité avec l'enroulement 21. Ainsi, l'enroulement 23 est également dans le sens des aiguilles d'une montre entre un plot 34 externe définissant l'accès de mode différentiel 4 (figure 6) et une extrémité centrale 33 destinée à être connectée à la masse 7. Côté mode différentiel, l'extrémité 33 de l'enrou- lement 23 est reliée, par un via 37 traversant l'isolant entre les niveaux 11 et 12, à l'extrémité centrale 39 de l'enroulement conducteur 24 formé dans le deuxième niveau 12 et définissant l'inductance L4. L'enroulement 24 est dans le sens des aiguilles d'une montre depuis son extrémité centrale 39 jusqu'à une extrémité externe 36. Les extrémités respectives 33 et 39 des enroulements 23 et 24 sont par ailleurs reliées par un prolongement du via 37 jusqu'au troisième niveau conducteur 13 à un plan de masse de la structure formée par ce niveau. L'extrémité externe 36 de l'enroulement 24 est, par exemple, pour des besoins de reprise de contact, reportée dans le premier niveau 11 par un via 28 jusqu'à un plot 35 définissant l'accès 5 de mode différentiel. Le cas échéant, d'autres niveaux sont présents au-dessus de la structure et les contacts y sont, si besoin, reportés. Côté mode commun, l'extrémité centrale 31 de l'enroulement 21 est reliée, par un via 25 traversant l'isolant entre les deux niveaux 11 et 12, à l'extrémité centrale 38 de l'enroulement plan 22 formé dans le deuxième niveau 12. L'enroulement 22 définit l'inductance L2 et tourne dans le sens des aiguilles d'une montre depuis son extrémité centrale 38 jusqu'à une extrémité extérieure 26 définissant l'extrémité de l'inductance L2. Selon la présente invention, un élément capacitif C est formé à l'extrémité 26 de l'enroulement 22. Cet élément capacitif est, par exemple, constitué d'une surface 29 (par exemple rectangulaire ou carrée) définissant une première électrode du condensateur C dans le niveau 12. La deuxième électrode du condensateur C est directement réalisée par le plan de masse du niveau 13 (sa deuxième électrode est symbolisée par un pointillé 27 à l'aplomb de la surface 29). La présence du condensateur C permet selon l'invention de changer le rapport d'impédances entre les accès de mode commun et de mode différentiel, sans modifier la fréquence de fonctionnement du balun. De façon surprenante, l'inventeur a constaté qu'alors que la présence d'un condensateur en série avec l'accès de mode commun dans un transformateur à changement de mode constitué d'enroulements plans non superposés décale la fréquence de fonctionnement du balun vers une fréquence plus faible sans modifier le rapport d'impédances, le fait d'empiler les spires comme le prévoit l'invention ne modifie pas la fréquence et change le rapport d'impédances. Les dimensions à donner aux enroulements 21, 22, 23 et 24 dépendent de la fréquence centrale de la bande passante souhaitée pour le balun. De façon classique, l'épaisseur d'isolant entre les niveaux 11 et 12 conditionne le couplage entre les modes communs et différentiels. Selon l'invention, la valeur de la capacité C est choisie en fonction du rapport d'impédances souhaité pour le 30 transformateur. A titre d'exemple particulier de réalisation, un balun destiné à une fréquence de 2 GHz a été réalisé avec des enroulements plans de 2,5 tours. Le rapport d'impédances de ce balun est de 50/100 avec un condensateur de 12 pF occupant une surface de 0,02 mm2, et est de 50/200 avec un condensateur de 0,5 pF occupant une surface de 0,01 mm2. Le cas échéant, d'autres niveaux conducteurs et isolants sont présents entre les niveaux 12 et 13. La deuxième électrode du condensateur C peut alors être formée dans un des niveaux intermédiaires et être connectée par un via au plan de masse. En variante, le condensateur est multicouche, ou des niveaux d'isolants additionnels augmentent l'épaisseur de diélectrique entre les deux électrodes illustrées par les figures. Un avantage de l'invention est que, sans modifier les dimensions des enroulements constituant le transformateur à changement de mode, on modifie son rapport d'impédances simplement en modifiant la valeur du condensateur C que la surface 29 définit dans le niveau de métallisation 12. Un autre avantage de la présente invention est que la présence du condensateur C ne dégrade pas les performances du balun dans la bande de fréquences de fonctionnement souhaitée définie par les longueurs des enroulements inductifs fonction du quart de longueur d'onde. Un autre avantage de l'invention est qu'elle réduit la surface globale occupée par un balun et un élément d'adaptation d'impédance. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'houune de l'art. En particulier, les dimensions à donner aux enroulements inductifs et à la surface de définition du condensateur sont à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus et des outils de définition et de simulation habituellement utilisés pour dimensionner des transformateurs à changement de mode. De plus, si la réalisation d'enroulements circulaires et d'un condensateur de surface carrée constitue un mode de réalisation préféré, d'autres formes sont possibles, pourvu de respecter le caractère de transformateur à changement de mode. En outre, la fabrication d'un balun de l'invention en utilisant des techniques classiques en électronique de dépôts conducteurs et de circuits multicouches est à la portée de l'homme du métier. REVENDICATIONS 1. Transformateur à changement de mode de type distribué, constitué d'enroulements conducteurs plans définissant des éléments inductifs (L1, L2, L3, L4) comprenant: dans un premier niveau conducteur (11), un premier enroulement (21) entre un premier accès (32) de mode commun et une première extrémité centrale (31) et un deuxième enroulement (23) entre un premier accès (4) de mode différentiel et une deuxième extrémité centrale (33) ; dans un deuxième niveau conducteur (12), un troisième enroulement (22) dont une extrémité centrale (38) est électriquement reliée (25) à la première extrémité centrale du premier niveau et dont une extrémité externe définit un deuxième accès (6) de mode commun, et un quatrième enroulement (24) dont une extrémité externe (36) définit un deuxième accès (5) de mode différentiel et dont une extrémité centrale (39) est électriquement reliée (37) à la deuxième extrémité centrale du premier niveau; et un troisième niveau conducteur (13) constituant un plan de masse (7) auquel sont électriquement reliées les extrémités centrales interconnectées des deuxième et quatrième enroulements de mode différentiel, l'extrémité externe (26) du troisième enroulement (22) étant électriquement reliée à une surface (29) définissant une première électrode d'un condensateur (C) dont une deuxième électrode (27) est connectée au plan de masse {13), et la valeur du condensateur étant choisie en fonction du rapport d'impédances souhaitée pour le transformateur. 2. Transformateur selon la revendication 1, dans lequel tous les enroulements conducteurs (21, 22, 23, 24) ont des mêmes dimensions, choisies en fonction de la fréquence centrale de fonctionnement souhaitée pour le transformateur. 3. Transformateur selon la revendication 1, dans lequel la deuxième électrode (27) du condensateur (C) est formée directement par le plan de masse. 4. Procédé de modification du rapport d'impédances d'un transformateur à changement de mode de quatre enroulements conducteurs (21, 22, 23, 24) formés dans deux plans de métallisation empilés (11, 12) en étant interdigités et électriquement en série deux à deux, caractérisé en ce qu'il consiste à connecter un condensateur (C) en série avec les deux enroulements définissant le mode commun du transformateur.