Brevet FR2969428A1 — publié le 20120622

-1- COMMUTATEUR ELECTRONIQUE ET APPAREIL DE COMMUNICATION INCLUANT UN TEL COMMUTATEUR Domaine Technique L'invention se rattache au domaine de la microélectronique. Elle vise plus particulièrement une structure de commutateur qui peut trouver une application particulière mais non limitative pour son intégration dans les appareils de radiocommunication tels que les téléphones cellulaires ou autres. Arrière plan de l'invention Les commutateurs, également appelés « switch » utilisés dans le domaine de la microélectronique trouvent une application à large échelle dans les dispositifs de radiocommunication, et en particulier les dispositifs d'émission/réception qui utilisent une antenne commune. On distingue en particulier les commutateurs dits « SPDT » (pour Single Pole Double Throw) , dont un exemple est illustré à la figure 1. Un tel dispositif 1 est destiné à relier l'antenne d'émission/réception connectée à la borne 2 alternativement à la chaîne d'émission ou la chaîne de réception connectées aux bornes 3,4. Dans la forme illustrée à la figure 1, cette commutation se fait par l'application de deux ordres de commande 5,6 qui sont appliqués à des interrupteurs statiques, qui sont illustrés à la figure 1 par des transistors à effet de champ. Ces transistors 10, 11, 12, 13 sont commandés de telle manière que lorsque l'on souhaite relier la chaîne d'émission 3 à l'antenne 2, le transistor 10 est passant alors que le transistor 12 est bloqué, alors qu'à l'inverse, le transistor 13 est bloqué et le transistor 11 est passant, assurant la mise à la masse de la ligne de réception. Complémentairement, pour assurer une protection contre les décharges électrostatiques, la borne reliée à l'antenne est équipée d'un circuit comportant deux diodes tête-bêche 15,16, reliées également à la masse. 2969428 -2- Exposé de l'invention Or, le Demandeur a identifié que la présence des différents composants assurant la configuration du commutateur, ainsi que les diodes de protection contre 5 les charges électrostatiques, sont des sources importantes d'atténuation des signaux haute fréquence. En effet, les transistors et les diodes présentent une capacité parasite, qui est d'autant plus prépondérante que les signaux transitant par le commutateur sont de fréquence élevée, et typiquement supérieure à plusieurs dizaines de gigaHertz. 10 Par ailleurs, le Demandeur a également identifié que ces composants sont des sources de non linéarité qui sont gênantes dans l'application à des commuttateurs. En effet, les capacités parasites inhérentes aux jonctions présentes dans les composants actifs dépendent en particulier des niveaux de tensions appliqués. Ces 15 phénomènes se traduisent par des non-linéarités qui provoquent des modifications des signaux transitant par ces composants, avec par exemple des compressions ou des étalements spectraux. Ces non linéarités sont d'autant plus importantes que l'on réduit la taille des circuits incluant le commutateur, notamment lorsque l'on souhaite incorporer le commutateur dans le circuit intégré de l'amplificateur. Ceci 20 est également sensible lorsque la puissance que l'on souhaite y faire transiter est élevée, ce qui est le cas pour un commutateur situé juste en amont de l'antenne d'émission, en aval de l'amplificateur. Il existe donc un besoin pour des commutateurs pour lesquels l'influence de 25 ces non-linéarités est limitée. Ainsi, dans un mode de réalisation, le commutateur comporte une borne d'un premier type et au moins deux bornes d'un second type, ainsi qu'un ensemble de circuit aptes à assurer la connexion exclusive de l'une des bornes du second type 30 avec la borne du premier type, en fonction d'un ensemble d'ordres de commande. 2969428 -3- Dans ce mode de réalisation, la borne du premier type est reliée à un point commun par un premier circuit. Complémentairement, chaque borne du second type est reliée à ce point commun par un second circuit. Chacun de ces seconds circuits comporte une portion magnétiquement couplée au premier circuit, et un 5 interrupteur statique disposé en parallèle de cette portion, et qui est commandé à l'état bloqué lorsque l'on souhaite relier la borne du premier type à la borne du second type associée au circuit considéré. A l'inverse, lorsque ce transistor est passant, la portion du second circuit 10 correspondant est court-circuitée, et les signaux transitant au niveau de cette borne sont bloqués, de sorte que la borne du deuxième type associée est déconnectée de la borne commune. Dans un mode de réalisation particulier, le coefficient de couplage 15 magnétique entre le circuit du premier type et chaque portion magnétiquement couplée du circuit du second type est supérieur à 0,5, préférentiellement à 0,7. Un tel commutateur peut être avantageusement réalisé à l'intérieur d'un circuit intégré. Différentes architectures peuvent être envisagées pour assurer le couplage 20 magnétique entre le circuit associé à la borne commune et chacun des circuits associés aux autres bornes. Ainsi, dans une première forme de réalisation, le premier circuit et les portions magnétiquement couplées des seconds circuits peuvent former des boucles sensiblement coaxiales, qui peuvent être soit superposées, avec un même diamètre, soit encore concentriques et coplanaires 25 mais de diamètres différents. Dans une autre forme de réalisation, les portions magnétiquement reliées peuvent être formées par des lignes sensiblement rectilignes et parallèles. 30 On constate que le nombre d'interrupteurs statiques permettant d'assurer la configuration du commutateur est divisé par deux par rapport aux solutions de l'Art antérieur, en particulier celle décrite à la figure 1, de sorte que les sources de 2969428 -4- non-linéarité sont moins nombreuses, et que le comportement global du « switch » est plus linéaire. Ceci peut être encore complété par l'absence des deux diodes assurant la 5 protection contre les décharges électrostatiques qui ne sont plus absolument nécessaires. Toutefois, dans certaines applications susceptibles de fonctionner à des niveaux de tension élevée, de telles diodes peuvent être quand même employées. 10 Comme déjà évoqué, un tel commutateur peut avantageusement être intégré dans un appareil de radiocommunication, dans lequel la borne du premier type du commutateur est reliée à l'antenne d'émission/réception, tandis que les autres bornes sont reliées à des chaînes de réception et/ou d'émission. 15 Description sommaire des figures Certaines caractéristiques de l'invention et les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées données à titre d'exemple non limitatifs dans lesquels : La figure 1 est un schéma électrique simplifié montrant la structure d'un 20 commutateur de l'Art antérieur. La figure 2 est un schéma électrique simplifié montrant la structure d'un commutateur selon un premier mode de réalisation. La figure 3 est un schéma simplifié montrant un mode de réalisation particulier visant le couplage magnétique des circuits impliqués dans le 25 commutateur, selon un premier mode de réalisation. La figure 4 est un schéma simplifié montrant un mode de réalisation particulier visant le couplage magnétique des circuits impliqués dans le commutateur, selon une variante de réalisation. La figure 5 est un schéma simplifié montrant la structure d'un commutateur 30 selon un autre mode de réalisation. 2969428 -5- Description détaillée Le commutateur 20 illustré à la figure 2 possède une borne 21 qui sera reliée selon la configuration du commutateur à l'une ou l'autre des bornes 22, 23. La borne 21 est reliée à un point commun 25, qui est lui-même relié à la masse 26, par 5 l'intermédiaire d'un conducteur qui peut être de type inductif Les deux bornes du second type 22, 23 sont reliées au même point commun 25 par l'intermédiaire chacune d'un circuit se composant d'un conducteur également inductif 26, 28 en parallèle duquel est monté un transistor 27, 29. 10 Plus précisément, les conducteurs inductifs 26, 28 sont magnétiquement couplés au conducteur 24, selon différents variantes possibles qui seront détaillées plus loin. Ce couplage magnétique permet que le courant circulant dans l'un des conducteurs 26, 28 induit un courant proportionnel dans le conducteur 24, et 15 inversement. Il est à noter que le couplage magnétique n'est pas obligatoirement complet, et que des fuites magnétiques peuvent intervenir à cause de la configuration géométrique des conducteurs couplés. Cependant, ces fuites, même si elles 20 existent, présentent un comportement linéaire, ce qui présente un avantage majeur par rapport aux solutions de l'Art antérieur. En effet, dans ce commutateur, le nombre de composants actifs tels que des transistors est réduit, puisque dans la forme illustrée, chaque borne du second type 25 ne comporte qu'un seul transistor, en comparaison avec la solution de l'Art antérieur illustré à la figure 1, qui en comporte deux par bornes analogues. La diminution du nombre de composants actifs, sources de non-linéarité, est donc un avantage notable. Complémentairement, dans la mesure où la borne 21 du 30 premier type, par lequel peuvent apparaître les décharges électrostatiques est reliée à la masse par le conducteur 24, les risques liés à ces éventuelles décharges 2969428 -6- électrostatiques sur les autres parties du commutateur, et sur les circuits liés aux bornes du second type, sont réduits malgré l'absence de diodes reliées à la masse. Le fonctionnement du commutateur 20 peut être résumé comme suit. 5 Lorsqu'on souhaite connecter le circuit lié à la borne 22 à la borne commune 21, le transistor 27 est commandé pour être à l'état bloqué, tandis que le transistor 29 relié à la borne 23 est passant. De la sorte, le circuit relié à la borne 23 se trouve relié à la masse et la tension aux bornes du conducteur inductif 28 est nulle. Complémentairement, les signaux issus de la borne 22 engendrent un courant dans 10 le conducteur inductif 26, qui induit lui-même un courant dans le conducteur inductif 24 lié à la borne commune 21. Le courant circulant dans ce conducteur inductif est proportionnel à celui transitant par la borne 22, et ce en fonction des caractéristiques du couplage magnétique entre les conducteurs 24 et 26. 15 A l'inverse, lorsque l'on souhaite connecter la borne 23 à la borne commune 21, le transistor 29 est commandé pour être bloqué, tandis que le transistor 27, associé à l'autre borne 22, est quant à lui passant. Le fonctionnement est ainsi symétrique. On constate que les ordres de commande des interrupteurs statiques 27,29 sont opposés, pour assurer la connexion exclusive de l'une ou l'autre des 20 bornes du second type 22,23. Bien évidemment, un tel schéma peut aisément se généraliser à un nombre plus important de bornes du second type. Il suffit pour cela d'ajouter autant de conducteurs inductifs que de bornes supplémentaires, chacun de ces conducteurs inductifs étant couplé au conducteur inductif relié à la borne commune. Chacun de ces conducteurs inductifs supplémentaires comporte 25 également un interrupteur statique en parallèle qui est à l'état bloqué lorsque la borne à laquelle il est relié doit être connecté doit être relié à la borne commune, et dans l'état passant en tous les autres cas. Bien entendu, le type et le nombre d'interrupteurs statiques peut être adapté 30 en fonction des conditions de fonctionnement, et en particulier des niveaux de tension et courant mis en oeuvre. Il est ainsi possible d'utiliser plusieurs 2969428 -7- interrupteurs statiques, mis en série ou en parallèle, aux bornes d'un des conducteurs inductifs, lorsque le niveau de tension ou de courant le requiert. En pratique, les conducteurs inductifs couplés peuvent être réalisés de 5 différentes manières, dont quelques exemples sont donnés aux figures 3 et 4. Ainsi, comme illustré à la figure 3, les trois conducteurs inductifs peuvent présenter des formes de boucle de forme sensiblement circulaire ou polygonale. Ces conducteurs 34, 36, 38 peuvent ainsi être réalisés dans un même plan, et adopter une configuration concentrique, chaque conducteur ayant un diamètre spécifique. Il est 10 alors nécessaire de réaliser des portions 37,39 qui réalisent des ponts pour permettre une connexion des bornes des conducteurs 36, 34 au-delà du diamètre des conducteurs 34, 38 situés à l'extérieur. Pour faciliter la compréhension, les extrémités des conducteurs 24,36,38 portent les références des bornes ou points du circuit de la figure 2 auxquels ils sont raccordés. 15 Pour optimiser le couplage magnétique dans le cas d'un commutateur comportant trois bornes, le conducteur inductif 34 lié à la borne commune présente un diamètre intermédiaire par rapport aux deux autres conducteurs inductifs 36,38. 20 Une autre architecture peut être employée, tel qu'illustré à la figure 4, dans laquelle les trois conducteurs inductifs 44, 46, 48, toujours de forme circulaire ou polygonale, sont superposés, ce qui améliore le couplage magnétique, mais nécessite d'utiliser plusieurs niveaux de dépôt métallique. Pour faciliter la compréhension, les extrémités des conducteurs 44,46,48 portent les références des 25 bornes ou points du circuit de la figure 2 auxquels ils sont raccordés. Le couplage magnétique entre les différents conducteurs associés aux bornes du commutateur, peut également être réalisé comme illustré à la figure 5 par un couplage inductif entre conducteurs linéaires 54, 56, 58. Dans ce cas, les 30 conducteurs couplés 54, 56, 58 peuvent se présenter sous la forme de lignes de transmission (comme par exemple des « microstrips ») qui sont disposées dans un même plan et parallèles, ou encore superposés mais dans des plans différents. 2969428 -8- Le coefficient de couplage entre les lignes peut être adapté en jouant sur l'espacement entre les conducteurs. Cet espacement dépend du positionnement des conducteurs à l'intérieur du composant, en tenant compte également de la 5 résistance série du conducteur qui doit être la plus réduite possible, et nécessite donc une épaisseur sur le conducteur suffisante, qui a une influence sur les espacements entre les conducteurs. Le commutateur décrit ci-dessus présente bien entendu l'intérêt tout 10 particulier pour être intégré dans les appareils de radiocommunication pour lesquels différents circuits d'émission et de réception partagent une antenne commune. Il est également possible d'utiliser ce commutateur pour des systèmes plus complexes, incluant plusieurs chaînes de réception et/ou d'émission correspondant à des standards et protocoles de communication distincts. Un tel 15 commutateur présente ainsi un avantage majeur en ce qui concerne les pertes radiofréquences et en linéarité de ses performances. REVENDICATIONS1/ Commutateur (20) comportant une borne (21) d'un premier type et aux moins deux bornes (22,23) d'un second type, et un ensemble de circuits aptes à assurer la connexion exclusive de l'une des bornes du second type (22,23) avec la borne du premier type (21) en fonction d'un ensemble d'ordre de commande, dans lequel : ^ la borne du premier type (21) est reliée à un point commun (25) par un premier circuit (24) ; ^ chaque borne du second type (22,23) est relié audit point commun (25) par un second circuit, chaque second circuit comportant : une portion (26,28) magnétiquement couplée audit premier circuit (24), un interrupteur statique (27,29) disposé en parallèle de ladite portion 15 (26,28), apte à être commandée à l'état bloqué pour relier la borne du premier type (21) à la borne du second type (22,23) associée au second circuit considéré. 2/ Commutateur selon la revendication 1 dans lequel le coefficient de couplage 20 entre le premier circuit et la portion magnétiquement couplée de chaque second circuit est supérieur à 0,5. 3/ Commutateur selon la revendication 2 dans lequel le coefficient de couplage entre le premier circuit et la portion magnétiquement couplée de chaque second 25 circuit est supérieur à 0,7. 4/ Commutateur selon la revendication 1 dans lequel le premier circuit (34) et les portions magnétiquement couplées (36,38) des second circuits forment des boucles sensiblement coaxiales. 30 2969428 -10- 5/ Commutateur selon la revendication 4 dans lequel le premier circuit (44) et les portions (46,48) magnétiquement couplées (46,48) des second circuits forment des boucles sensiblement superposées. 5 6/ Commutateur selon la revendication 1 dans lequel le premier circuit (34) et les portions (36,38) magnétiquement couplées des seconds circuits forment des boucles sensiblement concentriques, situées dans le même plan. 7/ Commutateur selon la revendication 1 dans lequel le premier circuit (54) et les 10 portions (56,58) magnétiquement couplées des seconds circuits forment des lignes sensiblement rectilignes et parallèles. 8/ Commutateur selon la revendication 1 dans lequel une paire de diodes tête-bêche relient la borne du premier type (21) et le point commun (25). 9/ Appareil de communication comportant une antenne, au moins une chaîne de réception et au moins une chaîne de transmission, et un commutateur selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel l'antenne est reliée à la borne du premier type, et lesdites chaines de réception et de transmission étant chacune reliées à une borne du second type.