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Le LNA doit donc :
- Amplifier le signal reçu ; - Générer peu de bruit ;
- Etre le plus linéaire possible.
La conception d’un LNA sous contrainte de consommation constitue donc un défi majeur car c’est un des blocs les plus important du récepteur mais aussi le plus contraignant en termes de performances. L’amplificateur faible bruit est donc un cas d’étude intéressant afin de mettre en place notre méthode de conception sous contrainte de consommation.
III.3.2. Etat de l’art
Il existe plusieurs familles d’amplificateur faible bruit. Elles sont définies suivant le type d’impédance d’entrée qu’elles présentent. En effet, l’adaptation d’impédance en entrée est essentielle pour un LNA afin d’obtenir un bon compromis entre figure de bruit et gain [6]. Afin de comparer les différentes topologies existantes, un état de l’art décrivant chaque famille ainsi que leurs avantages et inconvénients nous permettra de conclure sur le choix de la topologie adaptée à notre cas d’étude.
III.3.2.1.Amplificateur à terminaison résistive
L’amplification à terminaison résistive réalise son adaptation d’impédance d’entrée, généralement 50 Ω, par l’intermédiaire d’une résistance comme l’illustre la Figure III-2. Il est alors nécessaire de travailler à des fréquences telles que la capacité grille-source Cgs des transistors MOS ait une influence négligeable. L’utilisation de cette topologie est donc limitée vis-à-vis de la fréquence de fonctionnement (f0 < 1 GHz pour une technologie CMOS de 0,25µm).
Figure III-2 : Amplificateur à terminaison résistive.
D’autre part, l’adaptation d’impédance par l’intermédiaire d’une entrée résistive va contribuer lourdement à la dégradation de la figure de bruit de ce type d’amplificateur du fait du bruit thermique résultant de cette résistance. Cette topologie présente donc une figure de bruit assez élevée, ce qui est confirmé par [7] où la figure de bruit atteinte est de 6 dB à 770MHz. Du fait de cette faiblesse et de sa limitation en fréquence, cette topologie a été très peu utilisée.
III.3.2.2.Amplificateur à contre-réaction résistive
La Figure III-3 illustre la topologie d’un amplificateur faible bruit à contre-réaction résistive. Cgs et Cds sont respectivement les capacités grille-source et drain-source associées au transistor NMOS. R1 et R2 constituent le circuit de contre-réaction permettant l’ajustement de l’impédance d’entrée via le gain du transistor. Néanmoins, cette topologie présente de fortes carences du point de vue de la figure de bruit. En effet, elle utilise :
- Un amplificateur large bande qui intègre le bruit sur une grande bande de fréquences ; - Des résistances qui vont apporter du bruit thermique ;
- Une structure à contre-réaction qui ramène le bruit généré par les résistances en entrée et qui va donc être amplifié.
Cgs Cds R2 R1 Zin D S G
Figure III-3 : LNA à contre-réaction résistive.
De part ces aspects, ce type d’amplificateur est bruyant. La figure de bruit de cette topologie peut atteindre les 7,5dB [8]. D’autre part, le gain large bande s’accompagne d’une consommation importante, dépassant largement les 10mW, ne permettant pas à cette architecture de répondre aux attentes de faible consommation liées à notre cadre d’étude [9].
Enfin, l’association de la résistance R1 avec la capacité Cds va créer un filtre « RC » et donc un pôle coupure réduisant la fréquence de fonctionnement de cette topologie. La création de ce pôle constitue une limitation supplémentaire.
III.3.2.3.Amplificateur à terminaison en 1/gm
C’est la topologie la mieux adaptée à l’intégration car l’adaptation d’impédance d’entrée est réalisée par l’intermédiaire de la transconductance du premier étage. C'est-à-dire :
+
= 5-® soit = 3- N ( III-1 )
gm étant la transconductance du premier étage. Elle n’utilise donc pas de composant externe généralement difficile à intégrer. La Figure III-4 présente le principe de ce type d’amplificateur.
Chapitre III : Conception et optimisation de fonctions électroniques sous contrainte de consommation – Application au LNA
100
Zin
D S
G
Figure III-4 : Amplificateur à terminaison en 1/gm.
Cependant, le fait d’adapter l’impédance d’entrée par la transconductance s’avère un inconvénient car, dans le même temps, la consommation est fixée. La figure de bruit de cette topologie est généralement supérieure à 3 dB [10], ce qui est pour certaines applications trop élevée. Ce circuit peut aussi fournir de bonnes performances en termes de linéarité, bien que celles-ci soit limitées par le type d’adaptation. Ainsi, l’IIP3 mesuré dans [10] atteint -21dBm.
III.3.2.4.Amplificateur à dégénérescence inductive
Présentée à la Figure III-5, c’est la topologie la plus étudiée et la plus performante des LNA en termes de figure de bruit. L’adaptation d’impédance est réalisée par l’intermédiaire de l’inductance Lg qui vient annuler la capacité Cgs à la fréquence de fonctionnement. De telle sorte qu’à cette fréquence, l’impédance d’entrée est égale à :
d= ; = @ ( III-2 )
avec ωt égale au rapport gm/Cgs. A la fréquence f0, Ls est vue comme une impédance réelle et est donc calculée afin d’être adaptée à 50Ω à l’aide de l’équation (2).
Figure III-5 : LNA à dégénérescence inductive.
Cette topologie est en plein essor depuis le début des années 2000 du fait de l’amélioration de la qualité des inductances et de la possibilité de leur intégration avec l’apparition de nouvelles technologies. Ce type d’amplificateur est intéressant car il est possible d’obtenir une figure de bruit inférieure à 3 dB [3] [4].
Le LNA à dégénérescence inductive permet donc de fournir de bonnes performances tout en étant adapté à des applications basse-tension et faible consommation [3]. Cependant, les inductances intégrées sont très encombrantes, ce qui induit des coûts plus élevés et constitue donc la limite de cette architecture.