Brevet FR2947118A1 — publié le 20101224

DEMANDE DE BREVET B09-0738FR/FZ/AR 09-GR1X-009 ST-Ericsson SA (ST-Ericsson Ltd) Dispositif oscillateur multibandes fréquentielles Invention de : Emmanuel CHATAIGNER Dispositif oscillateur multibandes fréquentielles La présente invention concerne le domaine de l'électronique et plus particulièrement le domaine des oscillateurs dont la fréquence est accordable. L'invention s'applique avantageusement mais non limitativement aux systèmes de communication utilisant de tels oscillateurs, par exemple des téléphones mobiles cellulaires. La multiplication des normes de communication et la centralisation de toutes ces normes au sein d'un seul appareil de communication portatif sont difficiles à réaliser. En effet, pour émettre et recevoir sur chacune des bandes concernées par ces normes un élément oscillateur capable d'intervenir de manière continue sur toutes ces bandes de fréquence doit être utilisé. Un élément oscillateur comprenant une juxtaposition de plusieurs circuits oscillateurs ne permet pas un fonctionnement continu entre les bandes de fréquence. Un autre élément oscillateur comprenant un seul oscillateur avec une fréquence accordable ne permet pas une amplitude de variation de fréquence suffisante. Une solution choisie en général consiste en l'utilisation d'un unique circuit alimentant plusieurs oscillateurs, rendant possible le fonctionnement sur plusieurs bandes. L'utilisation d'un unique circuit permet aussi de baisser les coûts et de faciliter la miniaturisation du circuit électronique. Dans ce type de circuit, les inductances de chacun des oscillateurs peuvent en outre être mutuellement couplées électromagnétiquement. Ainsi, dans les brevets US7423495 et WO06/0200873, plusieurs circuits oscillateurs sont couplées mutuellement via des inductances. Les valeurs des inductances varient en fonction des modes des autres oscillateurs et cela permet de multiplier le nombre de modes de fonctionnement. Selon un mode de réalisation il est proposé, sans augmenter le nombre d'oscillateurs ou le nombre de composants, de permettre un fonctionnement continu sur une large bande de fréquences avec des modes de fonctionnement encore plus nombreux et une plus grande variation des impédances et des capacités lors de ces modes de fonctionnement. Selon un autre mode de réalisation il est proposé un dispositif oscillant offrant une consommation faible et un bruit de phase minimum en syntonisant par un ajustement de l'inductance et de la capacité, et non uniquement de la capacité. I1 est également proposé en particulier une continuité entre les bandes de fonctionnement des différents oscillateurs par notamment un partage d'éléments (la masse, le générateur d'intensité, la polarisation). Selon un premier aspect, il est proposé un dispositif oscillateur comprenant plusieurs oscillateurs, chaque oscillateur comportant un circuit résonnant inductif capacitif et un circuit transconducteur ayant une transconductance négative, les éléments inductifs des oscillateurs étant mutuellement couplés. Selon une caractéristique générale de cet aspect, chaque oscillateur comporte en outre un interrupteur commandable agencé pour court-circuiter ou non l'élément capacitif de l'oscillateur et le dispositif comporte en outre des moyens de commutation commandables agencés pour activer un oscillateur à la fois. Ainsi, d'une part, aux modes de fonctionnement de chacun des oscillateurs pris séparément s'ajoutent des modes de fonctionnement combinés couvrant d'autres bandes de fréquence. D'autre part, parmi ces modes de fonctionnement combinés, des modes de fonctionnement correspondant à la capacité court-circuitée dans chacun des oscillateurs sont ajoutés. Les modes de fonctionnement ajoutés permettent de faire varier la valeur de la capacité et donc également l'inductance sur une gamme très large, l'amplitude fréquentielle est donc plus importante. De plus, en syntonisant par un ajustement de plus nombreux paramètres, i.e. l'inductance et la capacité, il est possible d'optimiser chacun de ces paramètres pour obtenir une consommation faible et un bruit de phase minimum. Selon un mode de réalisation, l'interrupteur commandable de chaque oscillateur est connecté en parallèle sur l'élément capacitif de l'oscillateur. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif oscillateur comprend des premier moyens de commande aptes à court-circuiter l'élément capacitif d'au moins un oscillateur non activé. La grande variation de la capacité peut, dans le cas où elle est consécutive d'un court circuit dans l'oscillateur inactif, permettre une variation de l'inductance dans l'oscillateur actif. Selon un mode de réalisation supplémentaire, les premiers moyens de commutation comportent plusieurs commutateurs respectivement connectés entre les circuits transconducteurs des oscillateurs et une borne de masse commune et le dispositif comprennent des deuxième moyens de commande aptes à fermer un seul commutateur à la fois. Cela permet une continuité entre les bandes de fonctionnement des oscillateurs partageant des mêmes éléments. Selon un dernier mode de réalisation, les éléments inductifs des oscillateurs sont superposés les uns sur les autres. Ainsi, en créant le couplage magnétique par une superposition des inductances, un gain en surface est réalisé. Ce gain de surface permet un effet d'entraînement de fréquence (causé par un autre signal venant se coupler aux inductances de l'oscillateur) moins élevé. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'étude de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : -la figure 1 illustre un circuit simple comportant deux oscillateurs couplés. -la figure 2 illustre un exemple de circuit comportant deux oscillateurs et deux transconductances négatives. Sur la figure 1, est représenté un oscillateur dont les deux éléments inductifs sont couplés. Ce circuit simple permet d'établir les équations régissant le comportement des éléments inductifs couplés mutuellement. Le premier oscillateur comporte une résistance R1, un condensateur Cl et une bobine L1. De même, le deuxième circuit comporte une résistance R2, un condensateur C2 et une bobine L2. Les deux circuits sont couplés électromagnétiquement via les deux bobines L1 et L2, avec un coefficient d'inductance mutuelle M. Ainsi, les tensions V1 et V2 et les intensités il et i2 suivent les conditions suivantes exprimées en notation complexe: V1=j.L1.w.I1+ j.M.w.I2 V2=j.L2.w.I2+ j.M.w.I1 avec M = k • ,/Ll • L2 , k est le coefficient de couplage dépendant en particulier de l'agencement mutuel des bobines. Dans le cas particulier où V2=0, c'est-à-dire lorsque le condensateur C2 est court-circuité: I2=-(M/L2),Il Alors, vue de R1, l'impédance complexe dans le premier oscillateur est équivalente à un condensateur Cl en parallèle avec une bobine dont l'inductance est égale à Ll.(l-k2), Dans le cas où il n'y a pas de court circuit V2 peut s'exprimer sous la forme: V2= -I2/(C2.j.w), et I2=I1.(C2.M.w2)/(l-L2.C2.w2). Alors, vu de R1, l'impédance complexe dans le premier oscillateur est égale à une capacité en parallèle avec une bobine dont l'inductance est : Ll.(l-k2.L2.C2.w2/(L2.C2.w2-1)). Sur la figure 2, est illustré un exemple de dispositif DIS selon l'invention. Celui-ci comprend un générateur d'intensité GI, deux oscillateurs OSC1 et OSC2 et une borne de masse M. Cela étant l'invention n'est pas limitée à deux oscillateurs mais peut comporter plusieurs oscillateurs mutuellement couplés par leur inductances respectives. Chacun des deux oscillateurs comporte un point milieu auquel sont reliées deux inductances L1 & L1 ou L2 & L2. Chacune des inductances L1 ou L2 est couplée mutuellement avec une des inductances L2 ou L1 respectivement. En parallèle des deux inductances se trouvent tout d'abord un interrupteur INT1 ou INT2 et un condensateur variable et réglable Cl ou C2. Lorsque l'interrupteur INT1 ou INT2 est fermé, respectivement le condensateur C l ou C2 est court-circuité. De plus, en parallèle des deux inductances, dans chaque oscillateur se trouve un circuit transconducteur G1 ou G2 ayant une transconductance négative. La transconductance négative permet de compenser les pertes et d'entretenir les oscillations. Le fonctionnement de chacune des transconductances peut être optimisé pour les bandes de fréquence de chacun des oscillateurs. Chaque circuit transconducteur est formé ici par exemple de deux transistors MOS dont les deux liens à la grille sont croisés. Chacun des deux oscillateurs est en outre relié via un commutateur STOP1 ou STOP2 à la borne de masse M. Ils peuvent donc être activés/désactivés par les moyens de commutations STOP1 et STOP2. Lorsque le commutateur STOP1 ou STOP2 est fermé, respectivement l'oscillateur OSC1 ou OSC2 est activé. Le circuit illustré sur la figure 2 comporte aussi des moyens de commande MC2 aptes à commander les moyens de commutation (STOP1, STOP2) de manière que parmi les oscillateurs un seul soit actif. Pour finir, des moyens MC1 sont aptes à commander les interrupteurs INT1 et INT2. Les moyens MC1 et MC2 collaborent de manière à ce que ne puisse être court-circuité que le condensateur d'un oscillateur inactif. Les moyens de commande MC1, MC2 peuvent être réalisés par exemple à partir de circuits logiques. Le nombre important des paramètres pouvant être ajustés (valeur d'inductance, valeur de couplage, valeur des capacités, taille des transconductances) permet un nombre de degrés de liberté suffisant pour permettre une optimisation efficace de chacun des oscillateurs. Ainsi il est notamment possible d'ajuster ces paramètres de manière à obtenir une superposition de toutes les bandes de fréquences ainsi que de bonne performances vis-à-vis du bruit de phase et de la consommation. Par ailleurs, le court-circuitage des condensateurs C l et C2 dans respectivement l'oscillateur OSC1 et OSC2 permet d'ajouter des modes de fonctionnement qui sont alors au nombre de six chacun permettant de couvrir une bande de fréquences. Les calculs des valeurs des inductances après leur couplage du circuit de la figure 1 peuvent s'appliquer au circuit de la figure 2 et ainsi: - mode 1 : Oscillateur actif : OSC2, valeur de l'inductance après couplage dans OSC2 : L2.(l-k2.L1.Cl.w2/(L1.Cl.w2-1)), Valeur de Cl proche de son minimum et C2 varie de sa valeur minimale à la moitié de sa valeur maximale. La bande couverte par la fréquence propre va alors de 6,3 à 7 GHz. - mode 2 : Oscillateur actif: OSC2, Valeur de l'inductance L2.(l-k2.L1.Cl.w2/(L1.Cl.w2-1)), valeur de Cl à son maximum et C2 varie de sa valeur minimale à sa valeur maximale. La bande couverte par la fréquence propre va alors de 5,6 à 6,8 GHz. - mode 3 : Oscillateur actif : OSC2, Cl est court-circuitée, Valeur de l'inductance après couplage dans OSC2 : L2.(l-k2) et C2 varie de sa valeur minimale à sa valeur maximale. La bande couverte par la fréquence propre va alors de 5,1 à 6,5 GHz. - mode 4 : Oscillateur actif : OSC1, C2 est court-circuitée, Valeur de l'inductance après couplage dans l'oscillateur actif : Ll.(lk2) et Cl varie de sa valeur minimale à sa valeur maximale. La bande couverte par la fréquence propre va alors de 3,8 à 5,4 GHz. - mode 5 : Oscillateur actif : OSC1, Valeur de l'inductance après couplage dans l'oscillateur actif : Ll.(l-k2.L2.C2.w2/(L2.C2.w2-1)), C l varie de la valeur minimale à la valeur maximale et valeur de C2 proche son minimum. La bande couverte par la fréquence propre va alors de 3,2 à 4,2 GHz. - mode 6 : Oscillateur actif OSC1, Valeur de l'inductance après couplage dans l'oscillateur actif : Ll.(l-k2.L2.C2.w2/(L2.C2.w2-1)), Cl varie de sa valeur minimale à sa valeur maximale et valeur de C2 proche de son maximum. La bande couverte par la fréquence propre va alors de 3 à 3,5 GHz. Les valeurs de bandes de fréquences ont été obtenues avec des capacités et des inductances ayant les valeurs suivantes L1= 750 pH, C1= 3,2 pF (valeur maximale), L2= 510 pH, C2= 4,2 pF (valeur maximale). L'invention telle qu'elle a été décrite permet la réalisation d'un oscillateur dont la variation de la fréquence propre est de l'ordre de +/-40% autour de 5GHz. Les meilleurs oscillateurs LC suivant l'état de la technique permettent des variation de +/-30% autour de 4,5GHz. Comparée à une solution classique qui utiliserait deux oscillateurs pour couvrir la même bande de fréquence l'invention permet également un gain en surface en créant le couplage magnétique par une superposition des inductances les unes sur les autres. Ce gain de surface permet un effet d'entraînement de fréquence (causé par un autre signal venant se coupler aux inductances de l'oscillateur) moins élevé. Globalement, l'invention permet de tirer partie du couplage entre les enroulements au lieu de mettre en place des dispositifs pour l'éviter. L'invention permet en outre d'avoir un seul dispositif oscillateur capable de couvrir par exemple les bandes de fréquences des normes GSM, DCS, TDD-WCDMA, FDD-WCDMA requises pour le fonctionnement des téléphones mobiles cellulaires actuels avec un bruit de phase suffisamment faible pour être compatible avec les spécifications requises par ces normes de communication. REVENDICATIONS1. Dispositif oscillateur comprenant plusieurs oscillateurs (OSC1, OSC2), chaque oscillateur comportant un circuit résonnant inductif capacitif (Ll & Cl, L2 & C2) et un circuit transconducteur (Gl, G2) ayant une transconductance négative, les éléments inductifs des oscillateurs étant mutuellement couplés caractérisé en ce que chaque oscillateur comporte en outre un interrupteur (INT1, INT2) commandable agencé pour court-circuiter ou non l'élément capacitif de l'oscillateur (Cl, C2) et en ce que le dispositif comporte en outre des moyens de commutation (STOP1, STOP2) commandables agencés pour activer un oscillateur à la fois. 2. Dispositif oscillateur selon la revendication 1 dans lequel l'interrupteur commandable (INT1, INT2) de chaque oscillateur (OSC1, OSC2) est connecté en parallèle sur l'élément capacitif (Cl, C2) de l'oscillateur. 3. Dispositif oscillateur selon la revendication 1 ou 2 comprenant des premier moyens de commande (MC1) aptes à court-circuiter l'élément capacitif (Cl, C2) d'au moins un oscillateur (OSC1, OSC2) non activé. 4. Dispositif oscillateur selon la revendication 2 ou 3 dans lequel les premiers moyens de commutation comportent plusieurs commutateurs (STOP1, STOP2) respectivement connectés entre les circuits transconducteurs des oscillateurs (Gl, G2) et une borne de masse commune (M) et le dispositif comprend des deuxième moyens de commande (MC2) aptes à fermer un seul commutateur (STOP1, STOP2) à la fois. 5. Dispositif oscillateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments inductifs des oscillateurs sont superposés les uns sur les autres.