Influence du facteur de qualité 28

Les fonctions de filtrage des blocs filtre1 et filtre2 des récepteurs hétérodyne sont souvent réalisées à partir de filtres passifs pour réduire au maximum la contribution en bruit des premiers dispositifs en sortie de l’antenne. Le facteur de bruit d’un filtre passif est équivalent à ses pertes d’insertion, c'est-à-dire à l’atténuation autour de la fréquence centrale (f0) de

fonctionnement du filtre.

La proximité spectrale des différents standards de communication nécessite l’utilisation de filtres très sélectifs en fréquence et qui bénéficient dans le même temps de pertes d’insertion les plus faibles possibles afin de réduire l’impact sur le facteur de bruit global du système. L’utilisation de technologies SAW (Surface Accoustic Wave) ou BAW (Bulk Accoustic Wave) prédomine largement aujourd’hui car elles permettent d’avoir une très forte rejection des signaux hors bande. Cependant, les filtres à ondes acoustiques ne sont généralement pas intégrés dans la carte mère du système de réception et doivent être reportés à sa surface. L’ajout de ces composants externes limite l’utilisation de l’architecture hétérodyne par exemple pour les mobiles de troisième génération où un très fort taux d’intégration est requis. De plus, l’utilisation de filtres externes, et en particulier non reconfigurables nécessite de

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dupliquer la chaîne de filtrage pour chacun des standards reçus par le terminal. Ce dernier point vient encore limiter les performances d’intégration de cette architecture, bien qu’elle bénéficie d’une meilleure sensibilité que l’architecture homodyne [10].

La réalisation de filtres intégrés peut ainsi permettre de réduire la taille des récepteurs basés sur cette architecture. Cependant, l’intégration des filtres n’a un intérêt que si ces derniers disposent d’une rejection hors bande suffisante, en effet, lors de la transposition à la fréquence intermédiaire, une atténuation insuffisante des signaux hors bandes vient nécessairement dégrader la sensibilité du récepteur. La rejection hors bande d’un filtre est fixée à une bande passante donnée en fonction de l’ordre du filtre. Les pertes d’insertion étant-elles très fortement corrélées au coefficient de surtension des résonateurs utilisés. A l’heure actuelle les valeurs des coefficients de surtension des composants passifs localisés restent encore trop faibles en technologie monolithique à cause de pertes importantes dans les substrats. Bien que l’amélioration de la rejection peut-être effectuée à une bande passante donnée en augmentant l’ordre des filtres, l’ajout de résonateurs génère des pertes d’insertion supplémentaires, qui viennent alors dégrader les performances en bruit de la chaîne de réception. L’amélioration des coefficients de surtension des résonateurs intégrés est donc le premier verrou à lever pour intégrer la fonction filtrage.

Aussi, nous nous intéressons dans cette partie à l’influence du facteur de qualité des résonateurs sur la réponse du filtre, et en particulier sur ses pertes d’insertion, facteur déterminant sur les performances en bruit de la chaîne de réception. La Fig. 1-5 montre la structure d’un filtre passif du troisième ordre de Techbychev :

Fig. 1-5 – Filtre du troisième ordre de Tchebychev

Les résistances représentent les pertes produites dans les résonateurs par les composants capacitifs, inductifs et les interconnexions. Ces pertes définissent le facteur de qualité (Q) des résonateurs et sont ramenées à un élément résistif série ou parallèle. Le filtre considéré est conçu à une fréquence centrale de 2.2GHz et dispose d’une bande passante de 80MHz. L’influence de la réponse du filtre en fonction du facteur de qualité des résonateurs, elle- même liée aux facteurs de qualité des condensateurs et inductances est représenté sur la Fig. 1-6.

Fig. 1-6 – Réponse du filtre du troisième ordre de Tchebychev pour différentes valeurs du facteur de qualité des résonateurs

Term2 Z=gload Ohm Num=2 Term1 Z=g1 Ohm Num=1 C=Cs2 F L=Ls2 H R=Rs2 Ohm C=Cp1 F L=Lp1 H R=Rp1 Ohm C=Cp3 F L=Lp3 H R=Rp3 Ohm S21 (d B) Q=150 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 1.8 2.6 -40 -30 -20 -10 -50 0 -40 -20 -60 0 Fréquence (GHz) S11 (d B) Q=20 Q=85 1E2 1E3 1E1 2E3 -30 -20 -10 -40 0

Facteur de Qualité des résonateurs

Pertes d

'Ins

ertion (d

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L’influence du facteur de qualité sur les pertes en f0 est considérable avec une variation

supérieure à 20dB des pertes d’insertion (soit du facteur de bruit) pour une variation d’une décade du facteur de qualité. En technologie CMOS, la réalisation de filtres passifs est une réelle problématique en raison du très faible facteur de qualité présenté par les inductances spirales (Q entre 2 et 15 pour des inductances réalisées à partir d’un processus CMOS standard).

…sur le LNA

Le LNA doit présenter un facteur de bruit le plus faible possible. Ce dernier dépend à la fois des contributions des dispositifs passifs et actifs qui composent le circuit. Cependant, nous allons ici uniquement mettre en évidence l’influence du facteur qualité d’une inductance donnée sur le facteur de bruit du LNA.

La structure de LNA considérée est représentée sur la Fig. 1-7. Elle est conçue à partir d’un unique transistor MOSFET, simulé sous ADS à partir du modèle Bsim3v3 de la technologie CMOS-0.5µm. Le facteur de qualité considéré est celui de l’inductance entourée et représentée pour simplifier par un circuit RL série.

Fig. 1-7 – LNA conçu et simulé pour quantifier l’influence du facteur de qualité de l’inductance sur les performances du dispositif

La dépendance du facteur de qualité de cette inductance à la fois sur le gain et le facteur de bruit en sortie du LNA sont représentées sur la Fig. 1-8. Notons qu’un coefficient de surtension Q=1600 n’est pas réaliste en technologie intégrée, et ce dernier s’apparente donc au cas idéal. Inductance VAR VAR1 Ls=12.78 Rs=15.6613 {t} Eqn Va L=Ls nH R=1500 Ohm S_Param SP1 Step= Stop=3 GHz Start=1.5 GHz S-PARAMETERS Vdc=3.6 V DC_Feed L=1.122 nH MOSFET_NMOS Width=100 um Length=0.5 um Model=MOSFETM1 Idc=1.5 mA Term2 Z=50 Ohm C=10 pF DC_Fee Term1 Z=50 Ohm DC_Block R=Rs Ohm

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Fig. 1-8 – Influence du facteur de qualité de l’inductance connectée à la source du transistor MOS sur le gain et le facteur de bruit du LNA

Des variations du gain et du facteur de bruit supérieur à 1,5 et 2dB respectivement sont observées pour un facteur de qualité variant entre 5 et 50.