Brevet FR2894062A1 — publié le 20070601

BALUN A RAPPORT D'IMPEDANCES 1/4 Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale les transformateurs à changement de mode qui sont utilisés pour convertir des signaux de mode commun en signaux différentiels et inversement. De tels transformateurs sont généralement désignés par leur appellation anglo-saxonne abrégée "balun" pour balanced-unbalanced. La présente invention concerne plus particulièrement la réalisation d'un balun ayant un rapport d'impédances d'un quart ou de 1 (mode commun) vers 4 (mode différentiel), noté 1/4, en utilisant une technologie de couches minces dans des applications de circuits électroniques intégrés. L'invention s'applique, par exemple, au domaine des transmissions radio fréquence et de la téléphonie mobile. 15 Exposé de l'art antérieur La figure 1 illustre les accès d'un transformateur à changement de mode 1 (BALUN) du type auquel s'applique la pré- sente invention. Le balun 1 comporte un premier accès 2 destiné à recevoir ou à fournir un signal de mode commun UNBAL et deux 20 accès 3 et 4 de mode différentiel destinés à fournir ou à recevoir des signaux différentiels BALI et BAL2. Une tension Vc appliquée côté mode commun (par exemple, un signal référencé à la terre et provenant d'une antenne) est convertie en deux tensions différentielles V1 et V2 sur les bornes 3 et 4 de mode différentiel, référencées à la masse 5 (identique ou non à la terre) du circuit électronique. Les baluns se répartissent en deux catégories : les baluns à éléments localisés constitués d'éléments inductifs et capacitifs associés dans un montage électrique particulier et les baluns à lignes couplées constitués de lignes conductrices formant des éléments inductifs d'un transformateur. L'invention s'applique à la deuxième catégorie, c'est-à-dire aux transformateurs à changement de mode dans une technologie à lignes couplées. La figure 2 représente le schéma électrique d'un balun à lignes couplées classique ayant un rapport d'impédances différent de l'unité (par exemple, 1/4). Un tel balun à rapport 1/4 est destiné à des circuits dans lesquels l'impédance de charge côté différentiel (bloc 13, Zdiffl reliant l'accès 3 à la masse et bloc 14 Zdiff2 reliant l'accès 4 à la masse) est quatre fois supérieure à l'impédance (bloc 12, Zin) côté mode commun. En fait, avec des valeurs d'impédances Zdiffl et Zdiff2 (par exemple, 100 ohms) dont chacune est égale au double de l'impédance Zin (par exemple, 50 ohms), on a besoin d'un balun 1/4 (50/200) pour que le circuit soit adapté en impédance sans nécessiter d'adaptateurs additionnels. Un transformateur à changement de mode à lignes couplées comporte, côté primaire (mode commun), une ligne conductrice 23 définissant une inductance L3 et, côté secondaire (mode différentiel), deux lignes conductrices en série définissant des inductances L1 et L2 entre les bornes 3 et 4, le point milieu 6 entre les lignes 21 et 22 étant relié à la masse 5. Les lignes 21 et 22 sont couplées à la ligne 23 qui est deux fois plus longue que chaque ligne 21 ou 22. Les longueurs des lignes sont fonction des fréquences de travail du balun. Généralement, les lignes 21 et 22 ont des longueurs correspondant au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande passante souhaitée pour le balun, la ligne 23 ayant une longueur correspondant à la moitié de cette longueur d'onde. Le rapport d'impédances du balun est réglé par la valeur d'un condensateur C reliant l'extrémité libre de la ligne 23 à la masse 5. Par exemple, pour un rapport de 1/4 et pour un balun dimensionné pour une fréquence centrale de 2 GHz, un condensateur de l'ordre de 1 pF est requis. Un inconvénient est la présence du condensateur qui doit être ajusté en fonction du rapport d'impédances souhaité. Un autre inconvénient du recours à un condensateur pour adapter le rapport d'impédances est que cela rend le transformateur à changement de mode sensible aux décharges électrostatiques, surtout dans une réalisation intégrée. Un autre inconvénient est l'encombrement du conden-15 sateur. Un autre inconvénient réside dans la complexité de réalisation. Résumé de l'invention La présente invention vise à pallier tout ou partie 20 des inconvénients des transformateurs à changement de mode classiques pour lesquels on souhaite un rapport d'impédances de 1 vers 4. L'invention vise plus particulièrement à éviter le recours à un élément capacitif pour adapter le rapport d'impé-25 dances. L'invention vise également à proposer une solution compatible avec une technologie en couches minces permettant la réalisation de baluns intégrés. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que 30 d'autres, la présente invention prévoit un transformateur à changement de mode avec un rapport d'impédances de 1 vers 4 comportant un premier enroulement plan formé dans un premier niveau conducteur depuis une première borne de mode différentiel à l'extérieur de l'enroulement ; un deuxième enroulement plan 35 formé dans un deuxième niveau conducteur depuis une deuxième borne de mode différentiel à l'extérieur de l'enroulement ; un via d'interconnexion des extrémités centrales des premier et deuxième enroulements destiné à être connecté à la masse ; et au moins un troisième enroulement plan dans l'un des deux niveaux conducteurs, interdigité avec le premier ou le deuxième enroule-ment depuis une première borne de mode commun à l'extérieur de l'enroulement, l'extrémité interne du troisième enroulement étant reliée audit via pour connexion directe à la masse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins un quatrième enroulement plan, dans le niveau conducteur ne contenant pas le troisième enroulement, est interdigité avec le deuxième ou premier enroulement depuis une extrémité externe, l'extrémité interne du quatrième enroulement étant reliée audit via pour connexion directe à la masse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'extrémité externe du quatrième enroulement est destinée à être laissée en l'air. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'extrémité externe du quatrième enroulement est destinée à être 20 reliée directement à la masse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les longueurs respectives des enroulements conducteurs sont choisies pour correspondre au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande passante souhaitée pour le 25 transformateur. La présente invention prévoit aussi un procédé de fabrication d'un transformateur à changement de mode en lignes couplées, comportant les étapes de réaliser les lignes du transformateur sous la forme d'enroulements plans conducteurs 30 dans deux niveaux empilés l'un sur l'autre, deux enroulements présents dans un même plan étant interdigités l'un avec l'autre et les extrémités centrales de tous les enroulements étant destinées à être connectées directement à la masse. 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 : la figure 1 qui a été décrite précédemment représente un transformateur à changement de mode du type auquel s'applique la présente invention ; la figure 2 représente, de façon très schématique, un exemple classique de réalisation d'un transformateur à change-ment de mode à lignes couplées à rapport d'impédances différent de 1 ; la figure 3 représente le schéma électrique équivalent d'un transformateur à changement de mode à rapport d'impédances 1/4 selon un premier mode de réalisation de la présente invention ; les figures 4A, 4B et 4C sont des vues de dessus de niveaux conducteurs participant à la réalisation d'un transfor- mateur à changement de mode intégré selon le mode de réalisation de la figure 3 ; les figures 5A et 5B sont des vues schématiques en perspective éclatée illustrant la réalisation des lignes couplées des figures 4A et 4B ; la figure 6 est une vue schématique en coupe du balun des figures 4A à 4C prise selon la ligne I-I ; la figure 7 représente le schéma électrique équivalent d'un transformateur à changement de mode à rapport d'impédances 1/4 selon un deuxième mode de réalisation préféré de la présente invention ; les figures 8A, 8B et 8C sont des vues de dessus de niveaux conducteurs participant à la réalisation d'un transformateur à changement de mode intégré selon le mode de réalisation de la figure 7 ; les figures 9A et 9B sont des vues schématiques en perspective éclatée illustrant la réalisation des lignes couplées des figures 8A et 8C ; et la figure 10 est une vue schématique en coupe du balun 5 des figures 8A à 8C prises selon la ligne II-II. Des mêmes éléments ont été désignés par des mêmes références aux différentes figures qui ont été tracées sans respect d'échelle. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension de l'invention ont été représen- 10 tés aux figures et seront décrits par la suite. En particulier, les applications du transformateur à changement de mode de l'invention n'ont pas été détaillées, le transformateur de l'invention pouvant être utilisé en remplacement d'un transformateur classique dans n'importe quelle application. De même, les 15 procédés de réalisation de couches minces en utilisant les technologies de fabrication des circuits intégrés n'ont pas été détaillés, l'invention étant compatible avec les techniques classiques. Description détaillée 20 Une caractéristique d'un mode de réalisation de la présente invention est de réaliser les lignes couplées du transformateur à changement de mode sous la forme d'enroulements plans conducteurs dans deux niveaux empilés l'un sur l'autre, deux enroulements présents dans un même plan étant interdigités 25 l'un avec l'autre. Les figures 3, 4A, 4B, 4C, 5A, 5B et 6 illustrent un premier mode de réalisation d'un balun à rapport d'impédances 1/4 selon l'invention. La figure 3 est un schéma électrique équivalent du balun. Les figures 4A, 4B et 4C sont des vues de 30 dessus schématiques de trois niveaux conducteurs utilisés pour la réalisation du balun. Les figures 5A et 5B illustrent en perspective éclatée les enroulements respectifs des figures 4A et 4B. La figure 6 est une vue en coupe selon la ligne I-I des figures 4A à 4C. Selon ce mode de réalisation de l'invention (figure 3), un balun comporte côté différentiel ou secondaire, deux éléments inductifs L1 et L2 en série entre un premier accès 3 de mode différentiel destiné à fournir ou à recevoir un signal BALI et un deuxième accès 4 de mode différentiel destiné à fournir ou à recevoir un signal BAL2. Le point milieu 6 entre les enroulements L1 et L2 est connecté à la masse 5. Côté mode commun ou primaire, un troisième élément inductif L3 relie un accès de mode commun 2 destiné à fournir ou recevoir un signal UNBAL à la masse 5. Cette liaison directe à la masse de l'élément L3 est symbolisée par un liaison directe au point milieu 6 des enroulements L1 et L2. Comme l'illustrent les figures 4A, 4B, 5A et 5B, les inductances L1 et L2 sont formées d'enroulements plans 31 et 32 réalisés dans deux niveaux conducteurs superposés et séparés par un isolant 38 (figure 6). De plus, l'élément inductif L3 est formé d'un enroulement plan 33 réalisé dans l'un des deux niveaux de métallisation, dans cet exemple le premier niveau (figures 4A et 5A). L'enroulement 33 est interdigité avec l'enroulement 31 formant l'élément inductif L1. Les extrémités externes des enroulements 31, 32 et 33 définissent les accès 2, 3 et 4. Les extrémités internes des enroulements 31 et 33 sont reliées à un via conducteur 36 (figure 6) formant le point commun 6, par exemple au centre de la structure. Dans l'exemple représenté, le via 36 rejoint un troisième niveau conducteur (figure 4C), séparé du premier niveau par une couche isolante 39 (figure 6), et dans lequel sont réalisés deux tronçons conducteurs rectilignes 37 pour ressortir le point central 6 vers l'extérieur de la structure et revenir au premier niveau (figure 4A) au moyen de nias conducteurs 35 pour contacter le plan de masse 5 réalisé dans ce niveau. Dans l'exemple représenté, l'enroulement 32 tourne, vu de dessus et depuis le centre, dans le sens des aiguilles d'une montre tandis que les enroulements 31 et 33 tournent dans le sens inverse. Le contraire est bien entendu possible pourvu que, en partant d'une des bornes 3 ou 4, le sens de rotation vers le centre de l'enroulement 31 (respectivement 32) soit le même que le sens de rotation de l'autre enroulement 32 (respectivement 31) de mode différentiel du centre vers l'extérieur. Le sens de rotation de l'enroulement 33 de mode commun dépend de l'enroule-ment 31 ou 32 avec lequel il est interdigité. L'ordre de superposition des niveaux conducteurs n'a pas d'importance. Par exemple, le niveau (figures 4A et 4B) contenant le plan de masse 5 et les deux enroulements 31 et 33 peut être un niveau intermédiaire au-dessus duquel se trouve le niveau conducteur (figures 4B et 5B) dans lequel est formé l'enroulement 32 et en dessous duquel se trouve le niveau (figure 4C) comportant les ponts 37 de reprise de contact vers l'extérieur. Le niveau dans lequel sont formés les ponts 37 repose, par exemple, sur un substrat 40. Le substrat 40 peut contenir d'autres composants actifs et/ou passifs. Les ponts 37 sont, de préférence, au nombre d'au moins deux pour des raisons de symétrie de la structure. Selon une variante de réalisation, le plan de masse peut être formé dans le troisième niveau (figure 4C). Dans ce cas, on évite les ponts conducteurs 37 dans la mesure où il n'est pas nécessaire de remonter dans le premier niveau et le seul via conducteur est le via 36 du point milieu. La réalisation illustrée par les figures 4A à 4C (avec ponts 37) est chai- sie, par exemple, dans le cas où l'on dispose de deux niveaux métalliques (niveaux des figures 4A et 4B) et d'un niveau conducteur non métallique (partiellement résistif) incompatible pour un plan de masse. Le fait d'empiler les enroulements plans conducteurs du mode différentiel l'un sur l'autre et d'interdigiter l'enrou- lement conducteur du mode commun avec l'un des deux enroulements du mode différentiel entraîne que le rapport d'impédances du transformateur passe, en utilisant des enroulements conducteurs de même longueur, de 1:1 à 1/4. Le fait que les enroulements du secondaire (mode différentiel) soient empilés sur deux niveaux conducteurs multiplie la valeur des inductances correspondantes par quatre à longueur constante par rapport à l'enroulement du primaire (mode commun) qui est réalisé sur un seul niveau. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les longueurs respectives des enroulements 31, 32 et 33 sont choisies pour correspondre au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande passante souhaitée pour le balun. Un avantage de l'invention est qu'elle évite le recours à un élément capacitif pour régler le rapport d'impé- dances. Un autre avantage de l'invention est qu'elle est compatible avec les techniques de réalisation de transformateurs à changement de mode en couches minces au moyen d'enroulements plans formant des lignes couplées. Les figures 7, 8A, 8B, 8C, 9A, 9B et 10 illustrent un deuxième mode de réalisation préféré d'un transformateur à changement de mode à rapport d'impédances 1/4 selon la présente invention. La figure 7 est un schéma électrique équivalent du balun. Les figures 8A, 8B et 8C sont des vues de dessus schéma- tiques de trois niveaux conducteurs utilisés pour la réalisation du balun. Les figures 9A et 9B illustrent en perspective éclatée les enroulements respectifs des figures 8A et 8B. La figure 10 est une vue en coupe selon la ligne II-II des figures 8A à 8C. Par rapport au premier mode de réalisation décrit avec les figures précédentes, un quatrième enroulement conducteur plan 34 (figures 8B et 9B) est interdigité avec le deuxième enroulement 32 et forme un quatrième élément inductif L4 (figure 7) en série avec l'élément L3, le point milieu entre les deux enroulements 33 et 34 côté mode commun étant relié à la masse (donc au point milieu 6). L'extrémité libre 7 de l'enroulement conducteur 34 est laissée en l'air ou est connectée directement à la masse (sans condensateur). En d'autres termes, l'enroule-ment conducteur 34 ne modifie en rien le rapport d'impédances (en raison de la liaison à la masse du point milieu 6) mais rend la structure symétrique. Un avantage est que cela améliore les paramètres de symétrie de phase (phase balance) et de symétrie d'amplitude (amplitude balance) entre les deux accès du mode différentiel. Comme dans le mode de réalisation précédent, les longueurs respectives des enroulements conducteurs sont, de préférence, choisies pour correspondre au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande passante souhaitée pour le balun. Toujours comme dans le mode de réalisation précédent, l'ordre d'empilement des niveaux conducteurs a peu d'importance et peut être choisi en fonction d'autres paramètres dictés, par exemple, par les autres circuits connectés au transformateur à changement de mode. Dans l'exemple représenté, les enroulements 32 et 34 tournent, vus de dessus et depuis le centre, dans le sens des aiguilles d'une montre tandis que les enroulements 31 et 33 tournent dans le sens inverse. Les variantes exposées en relation avec le premier mode de réalisation s'appliquent bien entendu au deuxième. Selon un exemple particulier de réalisation appliqué à une fréquence de travail de 2 GHz, un balun tel que décrit en relation avec les figures 8 à 10 peut présenter les caractéristiques suivantes : - longueur développée des enroulements 31 à 34 : 3,5 mm ; 25 gap entre les lignes : 50 pm ; largeur des lignes 31 à 34 : w = 30 ; et épaisseur des lignes 31 à 34 : 3 }gym. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme 30 de l'art. En particulier, les dimensions à donner aux transformateurs à changement de mode (aux longueurs des lignes ainsi qu'à leurs sections) dépendent de l'application et sont à la portée de l'homme du métier en fonction de la résistance de lignes souhaitée et de la fréquence de fonctionnement du balun. REVENDICATIONS 1. Transformateur à changement de mode avec un rapport d'impédances de 1 vers 4 comportant : un premier enroulement plan (31) formé dans un premier niveau conducteur depuis une première borne (3) de mode diffé-5 rentiel à l'extérieur de l'enroulement ; un deuxième enroulement plan (32) formé dans un deuxième niveau conducteur depuis une deuxième borne (4) de mode différentiel à l'extérieur de l'enroulement ; un via (36) d'interconnexion des extrémités centrales 10 des premier et deuxième enroulements destiné à être connecté à la masse (5) ; et au moins un troisième enroulement plan (33) dans l'un des deux niveaux conducteurs, interdigité avec le premier ou le deuxième enroulement depuis une première borne (2) de mode 15 commun à l'extérieur de l'enroulement, l'extrémité interne du troisième enroulement étant reliée audit via pour connexion directe à la masse. 2. Transformateur à changement de mode selon la revendication 1, dans lequel au moins un quatrième enroulement plan 20 (34), dans le niveau conducteur ne contenant pas le troisième enroulement, est interdigité avec le deuxième ou premier enroulement (32) depuis une extrémité externe (7), l'extrémité interne du quatrième enroulement étant reliée audit via (36) pour connexion directe à la masse. 25 3. Transformateur selon la revendication 2, dans lequel l'extrémité externe (7) du quatrième enroulement (34) est destinée à être laissée en l'air. 4. Transformateur selon la revendication 2, dans lequel l'extrémité externe (7) du quatrième enroulement est 30 destinée à être reliée directement à la masse (5). 5. Transformateur selon la revendication 1, dans lequel les longueurs respectives des enroulements (31, 32, 33, 34) sont choisies pour correspondre au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande passante souhaitée pour le transformateur. 6. Procédé de fabrication d'un transformateur à changement de mode en lignes couplées, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de réaliser les lignes du transformateur sous la forme d'enroulements plans conducteurs (31, 32, 33, 34) dans deux niveaux empilés l'un sur l'autre, deux enroulements présents dans un même plan étant interdigités l'un avec l'autre et les extrémités centrales (6) de tous les enroulements étant destinées à être connectées directement à la masse (5).