Brevet FR2932331A1 — publié le 20091211

OSCILLATEUR DISTRIBUE SYNCHRONE L'invention concerne un oscillateur distribué comprenant une pluralité d'éléments amplificateurs associés en série, une sortie d'un dernier élément amplificateur étant rebouclée sur une entrée d'un premier élément amplificateur par l'intermédiaire d'une première ligne de transmission, l'oscillateur oscillant à une première fréquence. Les caractéristiques fondamentales d'un oscillateur sont sa fréquence d'accord (ou d'oscillation), sa puissance et sa stabilité en fréquence. La qualité d'un oscillateur se caractérise par son bruit de phase, sa pureté spectrale (taux d'harmoniques faible) et la largeur de sa bande de fréquence de fonctionnement. Face à l'augmentation des fréquences de fonctionnement, à la réduction des dimensions des circuits intégrés et à la réduction des tensions d'alimentation de ces circuits, les concepteurs sont confrontés à la difficulté toujours croissante de réaliser des oscillateurs à faible bruit de phase, à faible consommation et à grande puissance de sortie. Les oscillateurs à circuit résonnant de type LC montrent leurs limites lorsque la fréquence de fonctionnement augmente au delà de la dizaine de gigahertz. Les oscillateurs distribués sont plus intéressants à haute fréquence : ils ont une puissance de sortie élevée et peuvent fonctionner sur une large bande de fréquence. A titre d'exemple, figure la, un oscillateur distribué est composé d'un nombre impair d'éléments amplificateurs reliés entre eux par l'intermédiaire de tronçons L de ligne de transmission qui jouent le rôle de filtres LC. Dans l'exemple de la figure la, les transistors T1, T2, 2 T3 sont de type bipolaire. Dans l'exemple de la figure 1, les transistors sont communément montés en émetteur commun les collecteurs de tous les éléments amplificateurs sont reliés ensemble par un premier groupe de tronçons de ligne L1, L2 ; les bases de tous les éléments amplificateurs sont reliées ensemble par l'intermédiaire d'un deuxième groupe de tronçons de ligne L3, L4, et les émetteurs de tous les éléments amplificateurs sont reliés à la masse. Chaque élément amplificateur amplifie l'onde et la transfère vers la ligne de sortie. Les réflexions en bout de ligne sont absorbées par la charge de sortie CH. La sortie du dernier élément amplificateur T3 est reliée à l'entrée du premier élément amplificateur par l'intermédiaire d'un condensateur de liaison CL et d'une première ligne de transmission Lb. Chaque tronçon L1, L2, L3, L4 de ligne de transmission, entre deux émetteurs de transistor, entre deux bases de transistor, ou entre la sortie du dernier élément amplificateur et l'entrée du premier élément amplificateur est équivalent d'un point de vue électrique à un filtre LC (inductance et condensateur) distribué (cf figure 1b). Les oscillateurs distribués connus présentent une puissance de sortie élevée. Toutefois, leur fréquence de fonctionnement maximale est de l'ordre de la dizaine de gigahertz. De plus, les oscillateurs distribués connus oscillent seulement sur une unique fréquence, leur fréquence naturelle d'oscillation ; ils ne peuvent donc pas être utilisés pour des applications où la fréquence est susceptible de varier, pour des applications de téléphonie par exemple. L'invention propose un nouvel oscillateur distribué, dont la fréquence d'oscillation est susceptible d'être variée en fonction d'un signal de commande. 3 Ainsi, l'invention concerne un oscillateur distribué comprenant, de même qu'un oscillateur distribué connu, une pluralité d'éléments amplificateurs associés en série, une sortie d'un dernier élément amplificateur étant rebouclée sur une entrée d'un premier élément amplificateur par l'intermédiaire d'une première ligne de transmission l'oscillateur oscille à une première fréquence. L'oscillateur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend également un moyen pour injecter sur l'entrée du premier élément amplificateur un signal de commande ayant une deuxième fréquence sous-multiple de la première fréquence. Le signal de commande impose la fréquence d'oscillation de l'oscillateur. Ainsi, en variant la deuxième fréquence, c'est-à-dire la fréquence du signal de commande, on fait varier la première fréquence, c'est-à- dire la fréquence d'oscillation de l'oscillateur distribué. La fréquence d'oscillation de l'oscillateur distribué est par exemple de l'ordre de 2 à 10 fois la fréquence du signal de commande. Ainsi, à partir d'un signal de commande ayant une deuxième fréquence de l'ordre de quelques centaines de mégahertz à quelques dizaines de gigahertz, l'invention permet d'obtenir un oscillateur distribué oscillant à la première fréquence de l'ordre de quelques gigahertz à quelques centaines de gigahertz. Le moyen d'injection peut par exemple comprendre un circuit de commande dont une sortie est reliée par couplage électromagnétique à la première ligne de transmission. Le circuit de commande est par exemple un oscillateur connu de type PLL (pour Phase Locked Loop). 4 L'expérience montre que les caractéristiques (bruit de phase, plage de verrouillage, etc.) du signal de sortie de l'oscillateur selon l'invention sont voisines des caractéristiques du signal de commande. Ainsi, à partir d'un circuit de commande produisant un signal de commande présentant un faible bruit de phase, et présentant une large plage de verrouillage, on obtient un oscillateur selon l'invention présentant une large plage de verrouillage, et produisant un signal de sortie à faible bruit de phase. Pour réaliser le couplage électromagnétique, l'oscillateur selon l'invention peut par exemple comprendre une deuxième ligne de transmission dont une entrée est connectée à la sortie du circuit de commande, et dont une sortie est connectée à une charge. La première ligne de transmission et la deuxième ligne de transmission forment ainsi ensemble un coupleur directif électromagnétique. Dans un mode de mise en oeuvre de l'oscillateur, les éléments amplificateurs sont réalisés sur un substrat de silicium et sont associés en série, d'une part par l'intermédiaire d'un premier groupe de tronçons de ligne de transmission réalisé dans un premier niveau métallique localisé au dessus du substrat, et d'autre part par l'intermédiaire d'un deuxième groupe de tronçons de ligne de transmission réalisé dans un avant-dernier niveau métallique situé au dessus du premier niveau ou dans un dernier niveau métallique localisé au dessus de l'avant- dernier niveau métallique. La première ligne de transmission et la deuxième ligne de transmission sont réalisées dans l'avant-dernier niveau métallique ou dans le dernier niveau métallique, la deuxième ligne de transmission étant réalisée parallèlement à la première ligne. En réalisant la première ligne de transmission et la deuxième ligne de transmission dans un même niveau métallique, ou dans des niveaux métalliques proches, on optimise le couplage électromagnétique entre ces deux lignes. 5 La première ligne de transmission et / ou la deuxième ligne de transmission peut (peuvent) être par exemple une (des) ligne(s) microruban(s), par exemple à motif DGS (Defected Ground Structure). De telles lignes permettent d'atteindre des niveaux élevés de couplage entre lignes. Les éléments amplificateurs peuvent être répartis sur le substrat de sorte que les tronçons de ligne de transmission et la première ligne de transmission soient sensiblement de même longueur. Ainsi, les retards de transmission, générés par les tronçons de ligne de transmission entre deux éléments amplificateurs sont sensiblement les mêmes tout au long de la chaîne d'amplification. Pour obtenir des tronçons de liaison sensiblement de même longueur, il est possible de réaliser un oscillateur comprenant trois éléments amplificateurs répartis selon une architecture sensiblement triangulaire. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre d'un oscillateur synchrone selon l'invention. La description est à lire en relation aux dessins annexés dans lesquels : • les figures la et lb sont des schémas électroniques d'un oscillateur distribué connu, • la figure 2 est un schéma électronique de l'injection de la seconde fréquence dans l'oscillateur distribué, en faisant ainsi un oscillateur à injection distribué selon l'invention, 6 • la figure 3 détaille des éléments de l'oscillateur de la figure 2, • la figure 4 montre une variante de réalisation de certains éléments de la figure 3. Comme dit précédemment, l'invention concerne un oscillateur distribué comprenant une pluralité d'éléments amplificateurs T1, T2, T3 associés en série (figure la), une sortie d'un dernier élément amplificateur T3 étant rebouclée sur une entrée d'un premier élément amplificateur T3 par l'intermédiaire d'une première ligne de transmission Lb. Dans l'exemple de la figure 1, un condensateur de liaison CL est ajouté entre la ligne Lb et l'entrée du premier élément amplificateur ; il filtre les éventuelles harmoniques présentes sur le signal de sortie du dernier élément amplificateur. L'oscillateur oscille à une première fréquence f1. Un oscillateur selon l'invention se distingue d'un oscillateur connu par le fait qu'il comprend également un moyen pour injecter sur l'entrée du premier élément amplificateur T1 un signal de commande SC ayant une deuxième fréquence f2 sous-multiple de la première fréquence. On peut choisir par exemple f1 = n.f2, avec n un nombre entier compris entre 2 et 10. Le moyen d'injection comprend (figure 2) un circuit de commande (CC) dont une sortie est reliée par couplage électromagnétique à la première ligne de transmission. Pour cela, dans l'exemple de la figure 2, le moyen d'injection comprend également une deuxième ligne de transmission Lc dont une entrée est connectée à une sortie du circuit de commande CC, et dont une sortie est connectée à une charge CH2. La première ligne de transmission Lb et la deuxième ligne de transmission Lc sont réalisées de sorte à former ensemble un coupleur directif électromagnétique. 7 La charge CH2 est à une impédance adaptée à l'impédance de la ligne L2, par exemple 50 Ohms. Dans un exemple, le circuit de commande est un circuit oscillant de type PLL (pour Phase Locked Loop) stable en fréquence. Les éléments amplificateurs sont par exemple : • des transistors bipolaires montés en émetteur commun (figure 1), ou • des transistors MOS ayant une source commune. • Tout autre montage d'amplificateur connu fonctionne. Les éléments amplificateurs sont de préférence connectés en série par l'intermédiaire de tronçons de ligne de transmission L1, L2, L3, L4. Dans l'exemple de la figure 1, un premier groupe de tronçons L1, L2 de ligne de transmission relie ensemble les collecteurs des éléments amplificateurs Ti, T2, T3, et un deuxième groupe de tronçons de ligne L3, L4 relie ensemble les bases des éléments amplificateurs Ti, T2, T3. L'invention peut être réalisée sur un circuit intégré, comprenant un substrat de silicium et une pluralité de niveaux métalliques situés au dessus du substrat. Les éléments amplificateurs, le circuit de commande, la ou les charges, les éventuels condensateurs de liaison, les éventuels éléments d'adaptation, etc. sont réalisés dans le silicium et les couches métalliques. Le premier groupe de tronçons de ligne L1, L2 peut être réalisé dans un premier niveau métallique situé au dessus du substrat et du plan de masse, et le deuxième groupe de tronçons de ligne peut être réalisé dans un deuxième niveau métallique situé au dessus du premier niveau métallique. 8 Dans l'exemple de la figure 3, six niveaux métalliques sont prévus. La ligne de transmission Lc est réalisée dans le niveau métallique M6 le plus haut ; pour obtenir un couplage électromagnétique optimum, la ligne de transmission Lb est réalisée dans le niveau métallique M5 situé juste en dessous du niveau métallique M6 dans lequel est réalisée la ligne Lc, et la deuxième ligne Lc est réalisée parallèle à la première ligne Lb. Les tronçons de ligne L1, L2 du premier groupe de tronçons de ligne sont réalisés dans le niveau métallique M5 et les tronçons de ligne L3, L4 du deuxième groupe de tronçons de ligne sont réalisés dans le niveau métallique M1 situé juste au dessus du substrat. De manière connue, les liaisons entre d'une part une extrémité d'un tronçon de ligne de transmission L1, L2, L3, L4 situé dans un niveau métallique et d'autre part une borne d'un composant (élément amplificateur, condensateur, etc.) du circuit réalisé sur le substrat se fait par l'intermédiaire de nias verticaux. Il en est de même pour les connexions des extrémités des lignes de transmission Lb, Lc. La première ligne de transmission et / ou la deuxième ligne de transmission est (sont) une (des) ligne(s) microruban(s) conductrice(s), par exemple à motif DGS (Defected Ground Structure). Les éléments amplificateurs sont de préférence répartis sur le substrat de sorte que les tronçons de ligne de transmission et la première ligne de transmission soient sensiblement de même longueur. On a ainsi les mêmes retards de transmission entre chaque élément amplificateur. Pour cela, sur la figure 4, les éléments amplificateurs sont répartis sur le substrat selon une architecture sensiblement triangulaire (seuls les tronçons L1, L2 et la première ligne Lb sont visibles sur la figure 4). La ligne de transmission Lc est réalisée 9 parallèle à la ligne Lb et a sensiblement la même longueur. A titre purement indicatif et non limitatif, un amplificateur selon l'invention a été réalisé sur un substrat Si de type p 10-15 Ohms.cm, en utilisant la technologie BICMOS 0,13 }gym de la société STMicroelectronics. L'oscillateur oscille à 75 GHZ, il est commandé par un circuit de commande de type oscillateur PLL fournissant un signal de fréquence 25 GHz. Par rapport aux oscillateurs connus réalisés, l'oscillateur selon l'invention présente des caractéristiques particulièrement intéressantes : • une fréquence d'oscillation (75 GHz) nettement supérieure à la fréquence des oscillateurs connus (environ 5-15 GHz), • un bruit de phase faible, inférieur à -110 dBc/Hz à 200 kHz de la fréquence centrale ; le bruit de phase correspond en pratique à celui du signal de commande • une amélioration considérable de la pureté spectrale (faible taux d'harmoniques dans le signal de sortie) • une plage de verrouillage (plage de fréquence dans laquelle l'oscillateur est susceptible de se synchroniser sur un multiple de la fréquence du signal de commande) intéressante, variant de 66 à 96 GHz soit 22% de la fréquence d'oscillation centrale (= 75GHz). REVENDICATIONS1. Oscillateur distribué comprenant une pluralité d'éléments amplificateurs (T1, T2, T3) associés en série, une sortie d'un dernier élément amplificateur (T3) étant rebouclée sur une entrée d'un premier élément amplificateur (T1) par l'intermédiaire d'une première ligne de transmission (Lb), l'oscillateur oscillant à une première fréquence (fi), l'oscillateur étant caractérisé en ce qu'il comprend également un moyen pour injecter sur l'entrée du premier élément amplificateur (T1) un signal de commande (SC) ayant une deuxième fréquence (f2) sous-multiple de la première fréquence (f1 = n.f2). 2. Oscillateur selon la revendication 1, dans lequel le moyen d'injection comprend un circuit de commande (CC) dont une sortie est reliée par couplage électromagnétique à la première ligne de transmission (Lb). 3. Oscillateur selon la revendication 2, dans lequel le moyen d'injection comprend également une deuxième ligne de transmission (Lc) dont une entrée est connectée à une sortie du circuit de commande (CC), et dont une sortie est connectée à une charge (CH), la première ligne de transmission (Lb) et la deuxième ligne de transmission (Lc) formant ensemble un coupleur directif électromagnétique. 4. Oscillateur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les éléments amplificateurs (T1, T2, T3) sont connectés en série par l'intermédiaire de tronçons de ligne de transmission (L1, L2, L3, L4). 11 5. Oscillateur selon la revendication 4, dans lequel : • les éléments amplificateurs (T1, T2, T3, T4) sont réalisés sur un substrat de silicium et sont associés en série, d'une part par l'intermédiaire d'un premier groupe de tronçons (L1, L2) de ligne de transmission réalisé dans un premier niveau métallique (M1) localisé au dessus du substrat, et d'autre part par l'intermédiaire d'un deuxième groupe de tronçons (L3, L4) de ligne de transmission réalisé dans un avant-dernier niveau métallique (M5) situé au dessus du premier niveau ou dans un dernier niveau métallique (M6) localisé au dessus de l'avant-dernier niveau métallique (M5), • la première ligne de transmission (Lb) et la deuxième ligne de transmission (Lc) sont réalisées dans l'avant-dernier niveau métallique (M5) ou dans le dernier niveau métallique (M6), la deuxième ligne de transmission (Lc) étant réalisée parallèle à la première ligne de transmission (Lb). 6. Oscillateur précédentes, dans transmission (Lb) transmission (Lc) selon l'une des revendications lequel la première ligne de et / ou la deuxième ligne de est (sont) une (des) ligne(s) microruban(s), par exemple à motif DGS. 7. Oscillateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les éléments amplificateurs sont: • des transistors bipolaires (T1, T2, T3) montés en émetteur commun, ou • des transistors MOS ayant une source commune. 8. Oscillateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les éléments amplificateurs sont répartis de sorte que les tronçons de ligne de transmission et la première ligne de transmission soient sensiblement de même longueur. 9. Oscillateur selon la revendication 8, comprenant trois éléments amplificateurs répartis selon une architecture sensiblement triangulaire.10