Brevet FR2954625A1 — publié le 20110624

B09-3879FR û EHE/EVH Société Anonyme dite : STMicroelectronics SA Procédé d'amélioration de la symétrie des signaux de sortie d'un transformateur intégré de type « balun », et circuit intégré associé. Invention de : Denis PACHE Nejdat DEMIREL Procédé d'amélioration de la symétrie des signaux de sortie d'un transformateur intégré de type « balun », et circuit intégré associé L'invention concerne les transformateurs intégrés du type symétrique-dissymétrique communément désignés par l'homme du métier sous la dénomination anglo-saxonne de « BALUN » (BALanced to UNbalanced), et plus particulièrement l'amélioration de la symétrie des signaux de sortie différentiels d'un tel transformateur intégré. L'invention s'applique par exemple en téléphonie mobile ou dans le domaine des radars automobiles. La réalisation de systèmes intégrés en silicium, qu'ils soient de puissance ou de traitement, se fait de plus en plus avec des structures différentielles et d'impédance de référence variable pour les parties analogiques. Le monde « externe », reste lui essentiellement un système du type mode commun et d'impédance de référence 50 52. La liaison entre une ligne de transmission symétrique et une ligne de transmission asymétrique ne peut être réalisée sans un circuit électrique adapté. Cette transition est assurée par un transformateur du type symétrique-dissymétrique encore appelé « balun ». Un balun convertit par exemple un signal de type mode commun en un signal de type mode différentiel, et inversement, et assurent les transformations d'impédance. Les caractéristiques électriques principales d'un balun sont sa perte d'insertion, qui doit être la plus faible possible, l'équilibrage des voies différentielles en phase (180°) et en amplitude (8=0 dB), et sa bande passante, c'est-à-dire la plage de fréquences sur laquelle le transformateur est utilisable en « balun » avec un équilibrage des voies en phase et en amplitude. Les baluns peuvent encore être utilisés par exemple dans des circuits de réception et d'émission de systèmes de communication sans fil, pour la conception de circuits différentiels tels que des amplificateurs, des mélangeurs, des oscillateurs et des systèmes d'antenne. Si la perte d'insertion peut réduire certaines performances, telles que le rendement électrique ou le gain, par exemple, le déséquilibrage des voies différentielles peut conduire à un dysfonctionnement complet du circuit qui se traduit par une remontée des niveaux d'harmoniques pairs, un déséquilibrage important des voies différentielles, et un impact accru des éléments de connexion au monde externe (Bonding ground). Les baluns peuvent être réalisés avec des lignes de transmission telles que des coupleurs de Lange, des coupleurs de type en forme de cercle communément désignés par l'homme du métier sous la dénomination anglo-saxonne « Rat-race », ou des coupleurs de Marchand, ou bien avec des inductances empilées ou coplanaires. Dans les structures à lignes de transmission, on utilise des lignes de longueur équivalant à un quart de longueur d'onde, X/4, ou une demie longueur d'onde, X/2, pour les isolations entre voies et faire le retard d'une voie par rapport à l'autre. A titre d'exemple, pour des fréquences de 2 GHz et de 80 GHz, et pour une ligne métallique reposant sur un matériau ayant une constante diélectrique Er égale à 4, les valeurs de longueur X/4 et X/2 correspondent à 18,75 mm et 37,5 mm pour 2 GHz, et 0,468 mm et 0,937 mm pour 80 GHz. Par conséquent, cette structure à lignes de transmission présente l'inconvénient d'occuper une grande surface de silicium pour des applications micro-ondes ou de ne pas être intégrables pour des applications plus basse fréquence. Pour cette raison, les structures à base d'inductance sont préférentiellement retenues. Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé une architecture de balun visant à réduire, voire éliminer le problème de déséquilibrage en phase et amplitude des voies différentielles, et ce sur une bande de fréquence allant jusqu'à la fréquence d'autorésonance des inductances utilisées dans le balun. Les inductances utilisées peuvent avoir différentes formes telles que des inductances rectangulaires, octogonales ou circulaires, et présenter un nombre de tours variable. Les inductances peuvent être disposées de manière coplanaire ou empilée, ou tout mélange de position possible et imaginable. Selon un aspect, il est ainsi proposé un procédé d'amélioration de la symétrie des signaux de sortie différentiels d'un transformateur intégré du type symétrique-dissymétrique comprenant un circuit primaire inductif et un circuit secondaire inductif. Selon une caractéristique générale de cet aspect, on réduit le couplage capacitif entre les circuits primaire et secondaire. En effet, lors de la mise en fonctionnement des circuits primaire et secondaire, le courant circulant dans chacun des circuits électriques crée par effet de champ électrique des capacités de couplage entre les deux circuits inductifs. Les inventeurs ont observé que ces capacités de couplage sont essentiellement à l'origine de la dissymétrie en phase et en amplitude des voies de sortie différentielle. Les capacités de couplage affectent le déphasage et l'amplitude entre les deux voies de sortie. Idéalement, si on enlève ces capacités, le déphasage est de 180° et les signaux sont de même amplitude sur une plage de fréquence allant jusqu'à la fréquence de résonance du balun. Ainsi, selon un mode de mise en oeuvre, la réduction dudit couplage capacitif comprend une connexion à un noeud froid des condensateurs de couplage créés entre les circuits primaire et secondaire afin d'évacuer le courant qui y circule. Le noeud froid est par exemple un noeud couplé à la masse. Avantageusement, la réduction dudit couplage capacitif peut comprendre le placement au moins entre le circuit primaire et le circuit secondaire d'un « mur » ou blindage électriquement conducteur connecté à la masse. Selon un autre aspect, il est proposé un circuit intégré comprenant un transformateur du type symétrique-dissymétrique comportant un circuit primaire inductif et un circuit secondaire inductif. Selon une caractéristique générale de cet autre aspect, le circuit intégré comprend en outre des moyens de réduction configurés pour réduire le couplage capacitif contre le circuit primaire et le circuit secondaire. Selon un mode de réalisation, les moyens de réduction sont configurés pour connecter à un noeud froid les condensateurs de couplage créés entre les circuits primaire et secondaire. Les moyens de réduction peuvent avantageusement comprendre un moyen de blindage électriquement conducteur connecté à la masse et s'étendant au moins entre le circuit primaire et le circuit secondaire. Avantageusement, le moyen de blindage peut comporter au moins une couche métallique. Avantageusement, le moyen de blindage peut être ajouré de façon à former des zones de blindage distinctes. La division du moyen de blindage en zones de blindage permet d'éliminer les courants de Foucault pouvant circuler dans le moyen de blindage lorsqu'il est constitué d'un seul bloc entre les deux circuits inductifs. Lorsqu'ils existent, ces courants de Foucault peuvent dégrader les performances du balun. Avantageusement, le moyen de blindage peut s'étendre en outre le long d'au moins l'un des circuits primaire et secondaire. Dans certains cas, les lignes de champs électriques crées peuvent contourner un moyen de blindage uniquement disposé entre les deux circuits inductifs. Un moyen de blindage s'étendant en outre le long d'au moins l'un des circuits primaire et secondaire rend plus efficace, voire impossible un contournement du moyen de blindage par des lignes de champ électrique, évitant ainsi qu'une capacité de couplage persiste entre les deux circuits inductifs. Le circuit primaire inductif et le circuit secondaire inductif peuvent être au moins partiellement coplanaires et/ou empilés. Avantageusement, le moyen de blindage s'étend sur une hauteur correspondant à plusieurs niveaux de métallisation du circuit intégré, afin de réduire la possibilité de formation de lignes de champ électrique contournant le moyen de blindage. Selon un autre aspect, il est proposé dans un mode de réalisation un circuit intégré comprenant en outre des moyens d'amplification en puissance connectés à au moins un desdits transformateurs du type symétrique-dissymétrique. Les moyens d'amplification de puissance peuvent avantageusement être connectés entre deux desdits transformateurs de type symétrique-dissymétrique. Le circuit intégré peut avantageusement comprendre en outre des condensateurs auxiliaires connectés en parallèle sur chacun desdits transformateurs. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation et de mise en oeuvre, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 illustre un exemple de distribution des capacités de couplage entre deux circuits inductifs ; - la figure 2 représente un schéma électrique d'un transformateur intégré de type « balun » selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente de manière schématique un exemple de réalisation de circuit intégré comprenant donc un transformateur selon un mode réalisation de l'invention ; - les figures 4a et 4b représentent de manière schématique un premier et un deuxième mode de réalisation des moyens de blindage selon l'invention ; - les figures 5a et 5b illustrent les déséquilibres des voies de sortie en phase et en amplitude pour des cas sans blindage et avec blindage et un cas idéal ; - la figure 6 illustre un exemple selon un mode de réalisation d'un amplificateur de puissance comprenant deux baluns intégrés. La figure 1 illustre un exemple de distribution de la capacité de couplage créée par effet de champ électrique entre le circuit primaire P et le circuit secondaire S d'un transformateur T intégré de type « balun ». La capacité de couplage est représentée sur la figure sous la forme de quatre condensateurs de couplage Ccl à Cc4 pour exemple. Le circuit primaire P et le circuit secondaire ont chacun été divisés en un premier et un deuxième éléments inductifs couplés en série Pl et P2, et S1 et S2. Le second élément inductif primaire P2 du circuit primaire est couplé d'un côté à une extrémité de Pl, et de l'autre côté à la masse. Le premier condensateur Ccl est couplé entre la branche libre du premier élément inductif secondaire S1 et la branche commune au premier et au deuxième éléments inductifs primaires Pl et P2. Le second condensateur Cc2 est couplé entre la branche libre du second élément inductif secondaire S2 et la branche commune au premier et au deuxième éléments inductifs primaires Pl et P2. Ces deux capacités Ccl et Cc2 impactent de manière symétrique les voies de sorties du balun. Le troisième condensateur Cc3 est couplé entre la branche couplée à la masse du second élément inductif primaire P2 et la branche commune au premier et au deuxième élément inductifs secondaires S1 et S2. Le quatrième condensateur Cc4 est couplé entre la branche libre du premier élément inductif primaire P l et la branche commune au premier et au deuxième élément inductifs secondaires S1 et S2. Le troisième condensateur Cc3 étant couplé à la masse alors que le quatrième condensateur Cc4 ne l'est pas, ces deux condensateurs Cc3 et Cc4 sont à l'origine de la dissymétrie des voies de sorties. D'autres orientations des inductances donnent une distribution des capacités de couplage différente mais une même conclusion. Sur la figure 2, est représenté un schéma électrique d'un transformateur intégré de type « balun » selon un mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 1 comprend un circuit primaire inductif 2 et un circuit secondaire inductif 3. Le circuit primaire inductif 2 est formé, dans cet exemple, d'une première bobine primaire 21 et d'une seconde bobine primaire 22. Le circuit secondaire 3 est formé d'une première bobine secondaire 31 et d'une seconde bobine secondaire 32. La seconde bobine primaire 22 est couplée en sortie à la masse. Lorsque du courant circule dans le circuit primaire et dans le circuit secondaire, un champ électrique se forme entre les deux circuits inductifs. Par effet de champ électrique un couplage capacitif est réalisé entre les deux circuits inductifs 2 et 3. Ce couplage capacitif matérialisé ici par des condensateurs de couplage C est réduit, voire éliminé, en ramenant ces condensateurs C vers un noeud froid afin d'évacuer le courant qui y circule. Pour amener ces condensateurs C vers un noeud froid, on couple ceux-ci à la masse. Comme on va le voir maintenant plus en détails, une façon de connecter ces condensateurs de couplage à la masse comprend le placement d'un blindage entre les circuits inductifs et la connexion de ce blindage à la masse. La figure 3 représente schématiquement un exemple de réalisation d'un transformateur de type « balun » selon un mode de réalisation de l'invention, réalisé au sein d'un circuit intégré. Le transformateur 1 de type balun comprend un circuit primaire inductif 2 ainsi qu'un circuit secondaire inductif 3 situé dans un même plan, par exemple sur un même niveau de métallisation du circuit intégré. Le circuit secondaire inductif 3 est imbriqué dans le circuit primaire inductif 2. Les connexions 30 du circuit secondaire inductif 3 sont réalisées de manière à passer en dessous du circuit primaire inductif 2, donc dans un plan différent du circuit primaire inductif 2 et du circuit secondaire inductif 3. Ceci est, par exemple, réalisé par des via et des jonctions de lignes métalliques situées à un niveau initial inférieur. Entre le circuit primaire 2 et le circuit secondaire inductif 3, sont disposés des moyens de réduction configurés pour réduire le couplage capacitif entre le circuit primaire 2 et le circuit secondaire 3. Les moyens de réduction comprennent ici un moyen de blindage 4 conducteur et connecté à la masse via des connexions 50. Dans cet exemple, le moyen de blindage comporte un mur métallique s'étendant sur une hauteur correspondant à plusieurs niveaux de métallisation du circuit intégré. Ainsi, par exemple, si les inductances sont situées au niveau de métal « 3 », le blindage peut s'étendre du niveau de métal « 1 » au niveau de métal « 6 ». Le moyen de blindage 4 est ajouré de façon à former des zones de blindage distinctes 41, 42 et 43. Le moyen de blindage est ainsi formé d'une première zone de blindage 41, d'une seconde zone de blindage 42 et d'une troisième zone de blindage 43. Ces zones de blindage distinctes et physiquement séparées les unes des autres permettent d'éviter d'avoir un moyen de blindage 40 formé d'un seul bloc tout autour du circuit secondaire 3 entre le circuit secondaire 3 et le circuit primaire 2. En effet, lorsque le courant circule dans un moyen de blindage 4 formé d'un seul bloc, des courants de Foucault peuvent se former dans ce moyen de blindage 4, dégradant les performances du balun. Les figures 4a et 4b présentent schématiquement deux autres exemples de modes de réalisation de l'invention. La figure 4a illustre un exemple de mode de réalisation de l'invention dans un cas où les baluns sont de type empilés, c'est-à-dire que le circuit primaire inductif 2 est en dessous ou au dessus du circuit secondaire inductif 3. Dans cette configuration, les moyens de réduction comprennent un moyen de blindage 4 électriquement conducteur et connecté à la masse s'étendant au moins entre le circuit primaire 2 et le circuit secondaire 3, c'est-à-dire comprenant un blindage 40 entre les circuits inductifs. En variante, le moyen de blindage 4 peut s'étendre également le long d'au moins l'un des circuits primaire 2 et secondaire 3. Ainsi, on peut avoir au moins une extension 46 du moyen de blindage 4 s'étendant le long du circuit primaire 2, perpendiculairement au blindage 40. On peut avoir de préférence deux extensions 46 de blindage s'étendant le long d'au moins l'un des circuits primaire 2 et secondaire 3, et disposées perpendiculaires au blindage 40. La figure 3b illustre un exemple de mode de réalisation de l'invention dans une configuration où les baluns sont de type planaires ou coplanaires, c'est-à-dire situé dans un même plan. Dans ce cas, les moyens de réduction comprennent un blindage 45 entre les circuits inductifs, connecté à la masse de manière à réduire le couplage capacitif entre les deux circuits inductifs. Comme dans le cas de la figure 4a, il est possible d'ajouter une extension 47 de blindage, ou blindage latéral, s'étendant au moins le long d'un des circuits primaire 2 et secondaire 3. Ce blindage latéral est couplé au blindage 45. Le blindage 45 et le blindage latéral 47 peuvent être deux éléments distincts couplés ensemble, ou un élément d'un seul tenant. Que ce soit sur la figure 4a ou sur la figure 4b, l'extension de blindage permet de réduire le risque de contournement du blindage 40 ou 45 par des lignes de champs, voire de l'éliminer. Les figures 5a et 5b les déséquilibres des voies de sortie en phase et en amplitude pour une configuration sans blindage et une configuration selon l'invention, et dans un cas idéal où il n'y aurait pas de couplage capacitif. La figure 5a est une représentation graphique du déséquilibrage en amplitude, exprimée en dB, en fonction de la fréquence exprimée en GHz. Trois courbes ont été représentées. Une courbe CI représente le cas idéal où il n'y a pas de couplage capacitif entre le circuit primaire inductif 2 et le circuit secondaire inductif 3. Une courbe CB représente le déséquilibrage en amplitude dans une configuration avec blindage selon l'invention. Une courbe Cs représente le déséquilibrage en amplitude dans une configuration sans blindage. Pour les courbes CB et Cs la capacité de couplage globale est prise égale à 20fF. On peut lire sur le graphique qu'à 80 GHz, grâce au blindage, le déséquilibre en amplitude des voies de sortie est ramené de 0,8 dB à 0,1 dB. Ce qui est à 0,1 dB du cas idéal lu sur la courbe CI. La figure 5b présente une représentation graphique des déséquilibres en phase, exprimées en degrés, des voies de sortie en fonction de la fréquence en GHz. Trois courbes ont également été représentées. Une courbe C'1 représente le cas idéal où il n'y a pas de coupage. Une courbe C'B représente l'évolution pour une configuration de l'invention, c'est-à-dire avec blindage. Enfin la courbe C's représente l'évolution pour une configuration sans blindage. Là encore, la capacité de couplage globale est prise égale à 20fF. On peut lire sur la représentation graphique qu'à 80 GHZ, grâce au blindage, le déséquilibre en phase des voies de sortie est ramené de 55° à 2,4°. Ainsi dans ce cas, un balun comprenant des moyens de réduction de couplage capacitif possèdent donc des déséquilibres en amplitude et en phase quasi nuls sur toute la bande d'utilisation de 0 à 70 GHz, ce qui rend possible la génération de signaux réellement différentiels (180° de déphasage) sur toute cette bande passante. Sur la figure 6 a été représenté un exemple de réalisation d'un amplificateur de puissance à 80 GHz comprenant deux transformateurs intégrés de type balun selon un mode de réalisation de l'invention. Cet amplificateur de puissance 100 comprend un premier condensateur auxiliaire 101 couplé entre une entrée IN et la masse et couplé en parallèle à un premier circuit primaire 210. Ce premier circuit primaire forme avec un second circuit primaire 220 un premier transformateur 200 intégré de type balun comprenant des moyens de réduction 140 permettant d'éliminer le couplage capacitif entre le circuit primaire 210 et le premier circuit secondaire 220. Le circuit secondaire 220 est couplé en parallèle avec un second condensateur auxiliaire 102. Ce condensateur auxiliaire 102 est couplé à une extrémité à un premier amplificateur 150 et est également couplé à sa seconde extrémité à un second amplificateur 160. Le premier amplificateur 150 est couplé en sortie à une première extrémité d'un troisième condensateur auxiliaire 103. Le second amplificateur 160 est couplé en sortie à une seconde extrémité du troisième condensateur auxiliaire 103. Le troisième condensateur auxiliaire 103 est couplé en parallèle à un second circuit primaire 310 qui forme avec un second circuit secondaire 320 un second transformateur intégré 300 de type balun comprenant également des moyens de réduction 141 permettant d'éliminer le couplage capacitif entre le second circuit primaire 310 et le second circuit secondaire 320. Le second circuit secondaire est couplé en parallèle à un quatrième condensateur auxiliaire 104 dont une première extrémité est couplée à la masse et une seconde extrémité est couplée à la sortie OUT. L'amplificateur de puissance à 80 GHz comprenant deux baluns intégrés selon le mode de réalisation de l'invention permet d'augmenter la puissance de sortie de 3 dBm par rapport à une structure avec un seul transformateur intégré de type balun. Cet amplificateur de puissance peut être utilisé pour des structures de test de circuits différentiels. L'ajout des capacités en parallèle est réalisé pour adapter le balun dans la bande de fréquence souhaitée et pour réduire les pertes. REVENDICATIONS1. Procédé d'amélioration de la symétrie des signaux de sortie différentiels d'un transformateur (1) intégré du type symétrique-dissymétrique comprenant un circuit primaire inductif (2) et un circuit secondaire inductif (3), caractérisé en ce qu'on réduit le couplage capacitif entre les circuits primaire (2) et secondaire (3). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la réduction dudit couplage capacitif comprend une connexion à un noeud froid des condensateurs de couplage (C) créés entre les circuits primaires (2) et secondaires (3). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la réduction dudit couplage capacitif comprend le placement au moins entre le circuit primaire (2) et le circuit secondaire (3) d'un blindage électriquement conducteur connecté à la masse. 4. Circuit intégré comprenant un transformateur (1) du type symétrique-dissymétrique comportant un circuit primaire inductif (2) et un circuit secondaire inductif (3), caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de réduction (4) configurés pour réduire le couplage capacitif entre le circuit primaire (2) et le circuit secondaire (3). 5. Circuit intégré selon la revendication 4, dans lequel les moyens de réduction (4) sont configurés pour connecter à un noeud froid les condensateurs de couplage (C) créés entre les circuits primaire (2) et secondaire (3). 6. Circuit intégré selon la revendication 4 ou 5, dans lequel les moyens de réduction (4) comprennent un moyen de blindage électriquement conducteur connecté à la masse et s'étendant au moins entre le circuit primaire (2) et le circuit secondaire (3). 7. Circuit intégré selon la revendication 6, dans lequel le moyen de blindage comporte au moins une couche métallique. 8. Circuit intégré selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le moyen de blindage est ajouré de façon à former des zones de blindage distinctes (41 à 43). 9. Circuit intégré selon l'une des revendication 6 à 8, dans lequel le moyen de blindage s'étend en outre le long d'au moins l'un des circuits primaire (2) et secondaire (3). 10. Circuit intégré selon l'une des revendications 4 à 9, dans lequel le circuit primaire inductif (2) et le circuit secondaire inductif (3) sont coplanaires. 11. Circuit intégré selon l'une des revendications 4 à 9, dans lequel le circuit primaire inductif (2) et le circuit secondaire inductif (3) sont empilés. 12. Circuit intégré selon la revendication 10 ou 11, dans lequel le moyen de blindage s'étend sur une hauteur correspondant à plusieurs niveaux de métallisation du circuit intégré. 13. Circuit intégré selon l'une des revendications 4 à 12, comprenant en outre des moyens d'amplification en puissance connectés à au moins un transformateur du type symétrique- dissymétrique. 14. Circuit intégré selon la revendication 13, dans lequel les moyens d'amplification de puissance sont connectés entre deux transformateurs de type symétrique-dissymétrique. 15. Circuit intégré selon l'une des revendications 4 à 14, comprenant en outre des condensateurs auxiliaires (101 à 104) connectés en parallèle sur chaque transformateur (200, 300).