FR2984603A1 - Circuit integre comprenant un transformateur integre de type "balun" a plusieurs voies d'entree et de sortie. - Google Patents

Circuit integre comprenant un transformateur integre de type "balun" a plusieurs voies d'entree et de sortie. Download PDF

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Abstract

Circuit intégré comprenant un transformateur (1) intégré du type symétrique-dissymétrique à N voies (2, 3, 4), N étant supérieur à 2, ledit transformateur (1) intégré comprenant sur un substrat, N circuits inductifs (5, 7, 9) mutuellement en couplage inductif, et respectivement associés aux N voies (2, 3, 4).

Description

B11-3623FR 1 Circuit intégré comprenant un transformateur intégré de type "balun" à plusieurs voies d'entrée et de sortie.
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 un tel transformateur intégré comprenant une pluralité de voies d'entrée /sortie.
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 S2. 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.
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 sr 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 à plus basses fréquences. Pour cette raison, les structures à base d'inductance sont préférentiellement retenues. Généralement, les baluns utilisés possèdent une voie d'entrée et une voie de sortie, on parle d'un balun à deux voies. Dans certains cas, cependant, plusieurs sorties sont nécessaires. C'est le cas par exemple d'un circuit d'émission-réception En partant d'un balun à deux voies comprenant un circuit primaire inductif couplé à une antenne par exemple et un circuit secondaire inductif, pour réaliser un dispositif d'émission-réception, il faut coupler au circuit secondaire inductif un amplificateur de puissance (Power Amplification abrégé PA en langue anglaise) pour l'émission de signaux et un amplificateur faible bruit (Low Noise Amplificator abrégé LNA en langue anglaise) pour la réception de signaux et destiné à minimiser les pertes en ligne. Cependant, le couplage de l'amplificateur de puissance PA et de l'amplificateur faible bruit LNA au circuit secondaire inductif, implique de coupler l'amplificateur de puissance PA et l'amplificateur faible bruit LNA ensemble. Or, lorsque l'amplificateur de puissance PA est en fonctionnement, sa tension de sortie est élevée, typiquement de zéro à deux fois la tension d'alimentation du circuit. Cette tension élevée se retrouve alors directement appliquée sur les grilles des transistors de l'amplificateur faible bruit LNA et induit un risque important de destruction de ces transistors. Pour éviter une telle dégradation, il est connu, dans une première configuration illustrée sur la figure la, d'utiliser plusieurs baluns /31 et B2. L'utilisation d'une pluralité de baluns /31 et B2 pour multiplier le nombre de voies se traduit par une augmentation importante de la surface de silicium occupée. Par exemple, dans le cas d'une utilisation de deux baluns /31 et B2 afin d'avoir deux voies de sortie et des rapports de transformation différents, la surface totale occupée par le circuit comprenant deux baluns est doublée. Par ailleurs, dans une telle configuration où deux baluns sont disposés côte à côte, un couplage capacitif apparaît entre les deux baluns et plus particulièrement entre les circuits primaires inductifs // et les circuits secondaires inductifs 12 des deux baluns /31 et B2. Ce couplage capacitif peut entraîner une dissymétrie des voies. D'autre part, comme cela est illustré sur la figure la présentant un circuit d'émission réception utilisant deux baluns /31 et B2, le circuit doit comprendre un jeu d'interrupteurs S au niveau du circuit primaire inductif // afin de faire fonctionner le circuit en émission ou bien en réception. Cependant, une telle configuration ne permet pas de réaliser du duplexage, c'est-à-dire de faire fonctionner le système simultanément en émission et en réception. De plus, les interrupteurs S introduisent un facteur de pertes supplémentaire se traduisant pour le circuit d'émission-réception par un rendement plus faible en émission et un gain plus faible en réception. En outre, il est nécessaire d'utiliser un circuit de commande des interrupteurs S. Le circuit de commande des interrupteurs S introduit alors un facteur de risque supplémentaire quant à la fiabilité des interrupteurs S pouvant entraîner un non-fonctionnement du circuit.
Dans une autre configuration connue et illustrée sur la figure lb, il est possible d'utiliser un seul balun, mais pour lequel il faut ajouter des interrupteurs de commutation S au niveau du circuit secondaire inductif /2 entre l'amplificateur de puissance PA de l'émission et l'amplificateur faible bruit LNA de la réception. Cette configuration ne permet pas non plus de faire du duplexage étant donné le fonctionnement alternatif entre l'émission et la réception.
Par ailleurs, les interrupteurs S introduisent une perte globale de puissance et une baisse du rendement de l'amplificateur de puissance PA, ainsi qu'une dégradation du facteur de bruit et une dégradation du gain global de l'amplificateur faible bruit LNA. De plus, il est également nécessaire dans cette configuration d'utiliser un circuit de commande des interrupteurs S qui introduit un facteur de risque supplémentaire quant à la fiabilité des interrupteurs S. D'autre part, le rapport de transformation d'un balun à deux voies est fixe. Les sorties du côté de l'amplificateur de puissance PA ou de l' amplificateur faible bruit LNA sont obligatoirement différentielles ou monovoie, mais il est impossible d'avoir une impédance différentielle du côté de l'amplificateur faible bruit LNA et monovoie du côté de l'amplificateur de puissance PA, et inversement. Selon un mode de réalisation, il est proposé une architecture de balun à multiples voies d'entrée et/ou de sortie visant, d'une part, à réduire la surface de silicium utilisée par le balun, d'autre part, à offrir des rapports de transformation différents entre l'émission et la réception, ainsi qu'à réduire le couplage capacitif entre les baluns et à éviter l'utilisation de composants introduisant des pertes supplémentaires de performance.
Selon un aspect, il est proposé dans un mode de réalisation, un circuit intégré comprenant un transformateur intégré du type symétrique-dissymétrique à N voies comportant sur un substrat, N circuits inductifs mutuellement en couplage inductif, et respectivement associés aux N voies.
On dispose ainsi dans cette configuration d'un seul circuit inductif par voie, ce qui permet ainsi d'éviter l'utilisation d'interrupteurs de commutation introduisant du bruit supplémentaire et des pertes supplémentaires de puissance, et de s'affranchir des problèmes de surtension rencontrés lorsque des dispositifs électroniques différents sont couplés électriquement à un même circuit inductif. Chaque voie possède un circuit inductif en couplage inductif avec les circuits inductifs de chacune des autres voies du transformateur intégré.
De préférence, le circuit intégré comprend m circuits inductifs primaires, m étant supérieur ou égal à 1, et N-m circuits inductifs secondaires. Un tel dispositif permet ainsi d'avoir, par exemple, un transformateur intégré à trois voies, avec un circuit inductif primaire et deux circuits inductifs secondaires, et ainsi permettre d'avoir un fonctionnement du système en duplexage. Avantageusement, au moins une voie peut comprendre au moins une réactance connectée en parallèle sur le circuit inductif correspondant Le couplage en parallèle d'un élément réactif, tel qu'un condensateur, avec un circuit inductif primaire ou secondaire permet d'ajuster l'impédance dudit circuit inductif et ainsi d'optimiser les caractéristiques du transformateur intégré de manière à optimiser ses performances.
Au moins deux circuits inductifs peuvent avantageusement être coplanaires. Au moins un des circuits inductifs coplanaires peut avantageusement être imbriqué dans un des autres circuits coplanaires. Avantageusement, au moins un circuit inductif peut être empilé sur au moins un autre circuit inductif. Les circuits inductifs primaires et les circuits inductifs secondaires peuvent être tous coplanaires, ou bien tous empilés les uns sur les autres. Dans une variante, il est également possible d'avoir un circuit inductif primaire ou secondaire ou bien un groupe d'au moins deux circuits inductifs primaires ou secondaires coplanaires, ledit circuit inductif ou ledit groupe étant empilé sur un groupe de circuits inductifs primaires ou secondaires coplanaires ou bien un seul circuit inductif primaire ou secondaire. Toutes les combinaisons dérivables sont possibles. Selon un autre aspect, il est proposé dans un mode de réalisation, un dispositif d'émission-réception comprenant une antenne, une voie d'émission comprenant un amplificateur de puissance, une voie de réception comprenant un amplificateur faible bruit et un circuit intégré définit ci-dessus dont le transformateur intégré comprend un premier circuit inductif connecté à l'antenne, un second circuit inductif couplé à la voie d'émission et un troisième circuit inductif couplé à la voie de réception. Selon un autre aspect, il est proposé un appareil de communication sans fil comprenant un dispositif d'émission-réception définit ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques de l' invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : - les figures la et lb, déjà décrite décrivent deux mode des réalisations connus d'un transformateur balun à deux voies de sorties ; - la figure 2 présente de manière schématique un dispositif d'émission-réception comprenant un circuit intégré comportant un transformateur intégré selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 3a à 3c représentent chacune de manière schématique une vue en perspective d'un exemple de transformateur intégré selon trois modes de réalisation de l'invention. Sur la figure 2, est représenté schématiquement un dispositif d'émission-réception T apte à être installé dans un appareil de communication sans fil. Le dispositif d'émission-réception T représenté comprend un circuit intégré comportant un transformateur intégré de type « balun » selon un mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 1 comprend un circuit inductif primaire 2, un premier circuit inductif secondaire 3 ainsi qu'un second circuit inductif secondaire 4. Le circuit inductif primaire 2 est formé, dans cet exemple, d'une bobine primaire 5 couplée en parallèle à une capacité primaire 6. Le premier circuit inductif secondaire 3 est formé d'une première bobine secondaire 7 couplée en parallèle à une première capacité secondaire 8. Le second circuit inductif secondaire 3 est formé d'une seconde bobine secondaire 9 couplée en parallèle à une seconde capacité secondaire 10. Le circuit inductif primaire 2 et les premier et second circuits inductifs secondaires 3 et 4 sont mutuellement en couplage inductif.
Par exemple, pour un balun destiné à des applications en téléphonie mobile ayant une puissance de 1 Watt à 52,5 GHz, une dimension de 400 1.1M par 400 i_tm, une bobine primaire 5 de 4,9 nH, une première bobine secondaire 7 de 1,32 nH et une seconde bobine secondaire 9 de 1,22 nH, on a des coefficients de couplage de K1 = -0,61 entre la bobine primaire 5 et la première bobine secondaire 7, K2 = -0,46 entre la bobine primaire 5 et la seconde bobine secondaire 9, et K3 = -0.61 entre la première bobine secondaire 7 et la seconde bobine secondaire 9. La bobine primaire 5 et la capacité primaire 6 du circuit inductif primaire 2 sont couplées à une antenne apte à émettre et recevoir des signaux de données. La première bobine secondaire 7 et la première capacité secondaire 8 du premier circuit inductif secondaire 3 sont couplées à la sortie d'un amplificateur de puissance 12 apte à être couplé en entrée à un dispositif de génération de signaux à émettre. Lors de l'émission de signaux de données par le circuit intégré comprenant le transformateur 1, l'amplificateur de puissance 12 reçoit des signaux à émettre qu'il amplifie avant de les transférer via la première bobine secondaire 7 et la bobine primaire 5 à l'antenne 11 afin que cette dernière les émette. La seconde bobine secondaire 9 et la seconde capacité secondaire 10 du second circuit inductif secondaire 4 sont couplées à l'entrée d'un amplificateur faible bruit 13 apte à être couplé en sortie à un dispositif de traitement de signaux reçus. Lors de la réception de signaux de données par l'antenne 11, les signaux sont transférés via la bobine primaire 5 et la seconde bobine secondaire 9 à l'amplificateur faible bruit 13. Chaque capacité 6, 8 et 10 couplée en parallèle à une inductance permet d'ajuster l'impédance du circuit inductif auquel elle est couplée. Ainsi, les dimensions des capacités varient en fonction des caractéristiques de performances souhaitées pour le transformateur intégré 1. Un circuit inductif primaire ou secondaire peut être exempt de capacité si l'impédance du circuit inductif primaire ou secondaire permet d'obtenir les performances souhaitées. Dans des variantes, il est possible d'ajouter des circuits inductifs primaires supplémentaires afin de multiplier les voies d'entrée, et de multiplier par exemple les antennes. Les figures 3a à 3c représente chacune schématiquement une vue en perspective d'un exemple de transformateur intégré de type « balun » selon trois modes de réalisation, réalisé au sein d'un circuit intégré. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3a, le transformateur 1 de type balun comprend un circuit inductif primaire 2, un premier circuit inductif secondaire 3 et un second circuit inductif secondaire 4, tous les trois situés dans un même plan, par exemple sur un même niveau de métallisation du circuit intégré. Dans cette configuration, le circuit inductif primaire 2 est imbriqué entre le premier circuit inductif secondaire 3 et le second circuit inductif secondaire 4. Le premier circuit secondaire inductif 3 est imbriqué à l'intérieur du circuit inductif primaire 2, tandis que le circuit inductif primaire 2 est imbriqué dans le second circuit inductif secondaire 4. Les connexions des circuits inductifs 2, 3 et 4 sont réalisées de manière à passer dans un plan différent du plan comprenant les trois circuits inductifs. Ceci est, par exemple, réalisé par des via et des jonctions de lignes métalliques situées à un niveau initial inférieur ou supérieur. Les dimensions de chacun des circuits inductifs primaires ou secondaires influent sur l'impédance du circuit inductif. Par conséquent, les performances du transformateur intégré 1 dépendent des dimensions du circuit inductif primaire 2 et des premier et second circuits inductifs secondaires 3 et 4. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3b, le circuit inductif primaire 2, le premier circuit inductif secondaire 3 et le second circuit inductif secondaire 4 du transformateur intégré 1 sont empilés les uns sur les autres. Le circuit inductif primaire 2 est disposé entre le premier circuit inductif secondaire 3 et le second circuit inductif secondaire 4.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3c, le circuit inductif primaire 2 et le premier circuit inductif secondaire 3 sont coplanaires, le premier circuit inductif secondaire 2 étant imbriqué dans le circuit inductif primaire 3. Le second circuit inductif secondaire 4 est empilé sur l'ensemble formé par el circuit inductif primaire 2 et le premier circuit inductif secondaire 3. Tout autre empilement est aussi possible. Des tests de comparaison des performances ont été réalisés entre les transformateurs de l' état de l' état de l' art et un transformateur intégré selon l'invention.
Tout d'abord, dans le cas d'un balun à 2 voies, connus dans l'état de l'art, pour une impédance ramenée sur l'amplificateur de puissance de 198 ohms avec une fréquence de 6,7 nH, les pertes du balun s'élèvent à 1,18 db permettant d'obtenir un rendement de 23,6%. En faisant fonctionner un balun à 2 voies avec des interrupteurs, ces derniers introduisent de nouvelles pertes de 0,52db entraînement l'obtention d'un rendement plus faible (21,6%) du transformateur. Pour un balun 3 voies ayant une impédance ramenée sur l'amplificateur de puissance de 198 ohms à 6,7nH, et réalisé selon un mode de réalisation de l'invention, c'est-à-dire sans interrupteur, les performances du balun permettent d'obtenir un rendement de 23,7% égal au rendement d'un balun à 2 voies sans interrupteur. De plus, grâce à un balun 3 voies réalisé selon un mode de réalisation de l'invention, il est possible de synthétiser différentes charges ramenées sur l'amplificateur de puissance, tout en ramenant une impédance fixe sur l'amplificateur faible bruit. Ainsi, pour une impédance fixe de 50 ohms sur l'amplificateur faible bruit, il est possible d'avoir, en modifiant la valeur du condensateur couplé au circuit inductif couplé à l'amplificateur de puissance par exemple, d'avoir une impédance ramenée sur l'amplificateur de puissance de 198 ohms à 6,7 nH ou 250 ohms à 6,7 nH ou 198 ohms à 6nH. Pour ces trois différentes impédances, les pertes mesurées sur le balun étaient identiques (1,16 db) En revanche en modifiant ces impédances, le rendement du balun est modifié de 23,7% pour une impédance ramenée sur l'amplificateur de puissance de 198 ohms à 6,7 nH à un rendement de 28,6% pour une impédance de 250 ohms à 6,7 nH et un rendement de 16% pour une impédance de 198 ohms à 6 nH. D'autres mesures ont également permis de constater que l'absence d'utilisation d'interrupteurs dans le balun multivoies selon un mode de réalisation de l'invention permettait d'améliorer le facteur de bruit et le gain. En effet, pour une impédance ramenée sur l'amplificateur faible bruit de 100 ohms, les interrupteurs introduisent une perte de 0,7 sur un gain de 20 dB et font passer le facteur de bruit d'un coefficient de 1,5 (sans interrupteur) à un coefficient de 2,2 (avec interrupteurs. Le transformateur intégré proposé selon les modes de réalisation de l'invention permet ainsi de réaliser du duplexage, d'augmenter les performances de l'amplificateur de puissance en adaptant la charge ramenée et de ne pas dégrader le facteur de bruit pour l'amplificateur faible bruit via la suppression des interrupteurs de commande. Il permet aussi d'augmenter la fiabilité du circuit par rapport à un transformateur intégré utilisant des interrupteurs de commande. Il offre également la possibilité d'avoir des rapports de transformation différents entre l' antenne et l' amplificateur de puissance ainsi qu'entre l'antenne et l'amplificateur faible bruit, et la possibilité d'avoir un fonctionnement différentiel ou monovoie sur l'amplificateur de puissance et l'amplificateur faible bruit.
Par ailleurs, l'utilisation d'un seul balun pour avoir des rapports de transformation différents permet de réduire la surface totale du circuit utilisée. Le transformateur intégré proposé selon les modes de réalisation de l'invention permet également une réduction du couplage capacitif entre l'amplificateur faible bruit et l'amplificateur de puissance et ainsi d'améliorer la symétrie des voies. Enfin, le nombre de voies du transformateur intégré proposé n'est pas limité. Il peut en effet être étendu à quatre ou cinq voies ou plus.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Circuit intégré comprenant un transformateur (1) intégré du type symétrique-dissymétrique à N voies (2, 3, 4), N étant supérieur à 2, ledit transformateur (1) intégré comprenant sur un substrat, N circuits inductifs (5, 7, 9) mutuellement en couplage inductif, et respectivement associés aux N voies (2, 3, 4).
  2. 2. Circuit intégré selon la revendication 1, comprenant m circuits inductifs primaires (2), m étant supérieur ou égal à 1, et N-m circuits inductifs secondaires (3, 4).
  3. 3. Circuit intégré selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins une voie (2, 3,
  4. 4) comprend au moins un condensateur (6, 8, 10) connecté en parallèle sur le circuit inductif (5, 7, 9) correspondant. 4. Circuit intégré selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel au moins deux circuits inductifs (5, 7, 9) sont coplanaires.
  5. 5. Circuit intégré selon la revendication 4, dans lequel au moins un des circuits inductifs (5, 7, 9) coplanaires est imbriqué dans un des autres circuits inductifs (5, 7, 9) coplanaires.
  6. 6. Circuit intégré selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel au moins un circuit inductif (5, 7, 9) est empilé sur au moins un autre circuit inductif (5, 7, 9).
  7. 7. Dispositif d'émission-réception (T) comprenant une antenne (11), une voie d'émission comprenant un amplificateur de puissance (12), une voie de réception comprenant un amplificateur faible bruit (13) et un circuit intégré selon l'une des revendications 1 à 6 dont le transformateur intégré (1) comprend un premier circuit inductif (5) connecté à l'antenne (11), un second circuit inductif (7) couplé à la voie d'émission (3) et un troisième circuit inductif (9) couplé à la voie de réception (4).
  8. 8. Appareil de communication sans fil comprenant un dispositif d'émission réception (T) selon la revendication 7.
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