Circuits intégrés hyperfréquences utilisant des résonateurs BAW

Les nouveaux procédés technologiques permettent d’intégrer les résonateurs BAW sur les technologies MOS/BiCMOS, soit en « above-IC » (déposition du résonateur par dessus le circuit), soit par « flip-chip ». En matière de miniaturisation, ces techniques d’intégration du résonateur sont optimales. En effet, les résonateurs conservent, malgré l’avancée technologique des BAW, des dimensions assez conséquentes. Ces techniques d’intégration permettent de placer

les résonateurs par dessus les circuits intégrés en silicium autorisant ainsi de réutiliser cette surface. Ces résonateurs réalisent les fonctions essentielles des chaînes de transmission/réception figure 2.6.

Figure 2.6 – Localisation des résonateurs BAW dans un émetteur/récepteur intégré

Ils sont utilisés par exemple, dans des circuits oscillants servant de références dans les synthétiseurs de fréquence. L’utilisation des résonateurs BAW dans les sources permet d’obtenir des niveaux de bruit de phase et de consommation sans égal [14, 15, 16]. Des filtres passe- bande et coupe-bande à très haute performance sont également conçus avec une combinaison de résonateurs [17, 16, 18].

Filtres à résonateurs BAW

Il existe trois types de filtres à résonateurs, le filtre « ladder », le filtre « lattice » et le filtre « ladder-lattice ».

Le filtre « ladder » est représenté sur la figure 2.7. Sa cellule élémentaire se compose d’un résonateur placé en série et d’un deuxième en parallèle. On peut voir que la résonance parallèle du résonateur n°2 est ajustée à la fréquence de résonance série du résonateur n°1. Cette astuce

2.1. LA TECHNOLOGIE « BAW » (BULK ACOUSTIC WAVE) 67 permet d’obtenir plusieurs phases de fonctionnement d’un point de vue fréquentiel. La première phase, dans les fréquences les plus basses, les deux résonateurs se comportent comme un filtre à capacités série et parallèle. Ce comportement a pour effet d’atténuer le signal traversant le filtre. La deuxième phase est la réjection du signal à la fréquence d’antirésonance du résonateur n°2. La troisième phase est l’apparition de deux zéros de transmission obtenus grâce à la fréquence de résonance du résonateur n°2 et à l’antirésonance du résonateur n°1. Cet état de fonctionnement du filtre est très important. Car il nous permet de transmettre le signal avec un minimum de pertes. Le principe de fonctionnement des deux autres phases est identique aux deux premières. Dans cette configuration, le filtre ladder est donc utilisé comme un filtre passe-bande. L’un de ses inconvénients est le faible niveau de réjection du signal hors de la bande. Cet effet est dû à la valeur des capacités des résonateurs. Celles-ci décroissent avec l’éloignement de la fréquence de résonance.

Figure 2.8 – Schéma de principe du filtre lattice

Le filtre lattice est représenté sur la figure 2.8. Malgré sa complexité, cette topologie de filtre est également considérée comme une cellule élémentaire. Elle se compose de quatre résonateurs BAW. Les deux premiers sont placés en série, et les deux autres en parallèle. Comme pour le filtre « ladder », les fréquences de résonances entre les résonateurs1,2 et les

résonateurs3,4 sont légèrement décalées. Ce filtre a également un comportement de filtre passe-

bande. Le lattice a une raideur de la bande de transition beaucoup plus faible, ce qui implique une plus faible sélectivité fréquentielle. Cependant, elle présente une meilleure réjection hors bande. S’il n’est pas nécessaire d’avoir une réjection importante du signal aux fréquences de résonance du résonateur n°1 et à l’antirésonance du résonateur n°2, le filtre lattice, avec ses 30% supplémentaires de largeur de bande [19, 20], présente le meilleur compromis pour la fonction de filtre d’un émetteur/récepteur.

Il est également possible d’avoir besoin d’un filtre ayant les avantages des deux structures sans en avoir les inconvénients. Ce type de filtre est un filtre ladder-lattice comme représenté sur la figure 2.9. Il est l’association d’un filtre ladder suivi d’un filtre lattice. Cette structure permet d’avoir une réjection importante des fréquences hors bande (≈ 80 dB), des fréquences de résonance du résonateur n°1 et d’antirésonance du résonateur n°2, tout en conservant des pertes de transmission les plus faibles possible.

Figure 2.9 – Schéma de principe du filtre lattice-ladder

Les circuits actifs RF à résonateurs BAW

Les avantages offerts par les résonateurs BAW sont multiples et amènent à intégrer les filtres dans la conception des principaux circuits actifs microondes composant un émetteur/récepteur comme montré sur la figure 2.6. L’avantage de concevoir des circuits actifs à base de tels résonateurs est la grande flexibilité qu’offre l’intégration de circuits. En effet, il nous est possible de gérer les impédances des BAW afin d’optimiser les performances des circuits. De plus, il n’est plus nécessaire de suivre le standard d’impédance (50 Ω). On peut donc optimiser au maximum les circuits d’adaptations. Dans l’objectif de réaliser des composants offrant de meilleures performances à bas coût. Si on suit le cheminement du signal de la figure 2.6, de l’antenne jusqu’au DSP, le premier composant actif rencontré est le filtre-LNA. Comme présenté sur la figure 2.10, ce circuit se compose d’un filtre ladder-lattice suivi d’un amplificateur faible bruit. Les caractéristiques d’un LNA ne permettent pas de travailler en bande étroite. Cette

Figure2.10 – Schéma simplifié d’un filtre-LNA

association permet d’obtenir le gain de l’amplificateur sur une bande fréquentielle très fine. Dans une bande de transmission, plus le canal est sélectif (avec une réjection hors bande très forte), plus le nombre de canaux dans une même bande augmente.

Le second composant actif rencontré est le synthétiseur de fréquence. Il est réalisé par une boucle à verrouillage de phase (Phase Lock Loop) [21]. La PLL est un système asservi qui vient asservir un oscillateur contrôlé en tension (VCO). Les oscillateurs sont présents dans quasiment

2.2. CARACTÉRISATION DES RÉSONATEURS BAW 69