Mise en évidence de l’intérêt de lignes S-CPW dans la bande millimétrique

Cette partie a pour objectif de mettre en évidence l’intérêt des lignes à ondes lentes par rapport aux lignes microruban classiques dans la conception des circuits en bande millimétrique. Pour ce faire, deux versions d’amplificateur de puissance de démonstration à un étage travaillant autour de 60 GHz sont conçues en technologie CMOS 45 nm. La première version utilise des lignes à ondes lentes (SCPW6) pour les étages d’adaptation et l’autre utilise des lignes microruban (TFMS1). Dans ce chapitre, nous nous intéressons exclusivement à comparer les performances caractéristiques de ces deux amplificateurs utilisant le même transistor et à montrer l’apport des lignes à ondes lentes sur la réduction des pertes dans les réseaux d’adaptation. Nous détaillerons dans le chapitre III les différents aspects de conception d’amplificateurs de puissance millimétriques : les outils de simulation et d’extraction des paramètres parasitiques du transistor MOS, la méthode de conception ainsi que la modélisation électrique des composants passifs tels que les capacités MOM et les plots RF.

II.6.1 Comparaison des performances des lignes : S-CPW versus TFMS

La Figure II-21 présente la comparaison en fonction de la fréquence des paramètres électriques des lignes TFMS1 et SCPW6 conçues en technologie CMOS 45 nm. Les performances de la ligne microruban TFMS1 sont obtenues à partir de simulations issues du modèle développé dans

[Quemerais, 10-3].

(a) (b)

Figure II-21 : Comparaison des performances mesurées des lignes S-CPW avec les lignes TFMS en technologie CMOS 45 nm sur (a) Zc et α, (b) ε_reff et Q.

L’impédance caractéristique de ces deux lignes est proche de 30 Ω. Pour la ligne microruban, la permittivité relative effective est d’environ de 5 et la constante d’atténuation à 60 GHz est de l’ordre de 1,1 dB/mm, conduisant à un facteur de qualité modéré de 10. En ce qui concerne la ligne à ondes lentes SCPW6, malgré des pertes linéiques plus importantes (2,2 dB/mm à 60 GHz), le facteur de qualité s’améliore tout de même par un facteur d’environ deux (Q = 18 à 60 GHz), ce qui est dû à la permittivité relative effective très élevée de cette ligne (

ε

_reff = 48). Les comparaisons des résultats de

mesure nous permettent quantitativement de conclure que la ligne S-CPW apporte l’intérêt, non seulement sur le facteur de miniaturisation lié à l’augmentation de la permittivité, mais aussi sur le facteur de qualité.

II.6.2 Circuit démonstrateur : amplificateur de puissance à un étage

travaillant à 60 GHz

La Figure II-22 montre le schéma simplifié de la première version de l’amplificateur à lignes S-CPW (SCPW6) monté en source commune. Les circuits de polarisation sont également schématisés.

Figure II-22 : Schéma simplifié d’un amplificateur de puissance à un étage en source commune utilisant les lignes S-CPW (SCPW6) en technologie CMOS 45 nm.

Le transistor est polarisé en classe A. La longueur de grille L_g et la largeur total W sont respectivement de 40 nm et 60 µm. Le courant de polarisation I_ds d’environ 23 mA fixe une densité de courant (≈ 0,4 mA/µm) correspondant à la fréquence de transition f_t maximale. Afin de faciliter la connexion entre les stubs à lignes S-CPW et l’entrée/sortie du transistor, les jonctions en Té formées des morceaux de lignes microruban (TFMS1) sont utilisées. La longueur physique de ces morceaux de lignes est très petite (l<<

λ

_g/20) et leur impact sur les performances des amplificateurs est négligeable. L’autre version de l’amplificateur de puissance est identique à cette première version à l’exception des lignes S-CPW qui sont remplacées par des lignes microruban TFMS1. D’un point de vue schématique, des lignes S-CPW dans la Figure II-22 sont remplacées par les stubs d’adaptation en microruban. Ceci peut être observé sur les photographies de ces deux amplificateurs présentées sur la Figure II-23. De plus, la surface de la zone active de l’amplificateur à lignes S-CPW est légèrement moins importante (d’environ 20 %) par rapport à l’amplificateur utilisant des lignes microruban.

(a) (b)

Figure II-23 : Photographies (a) du PA utilisant S-CPW (185 µm

×

320 µm) (b) du PA utilisant des lignes TFMS (230 µm

×

300 µm).

Nous rappelons que la stabilité inconditionnelle de l’amplificateur de puissance doit être assurée sur toute la bande de fréquence du DC jusqu’à la bande millimétrique. Lorsque le facteur de Rollet K

(II-24) est supérieur à 1 et la valeur absolue du déterminant |Δ| (II-25) est inférieure à l’unité, l’amplificateur est dit inconditionnellement stable [Gonzalez, 97]. Ceci est vérifié pour les deux amplificateurs réalisés comme le montre la Figure II-24.

2 2 2 11 22 12 21

1

2

S S

K

S S

− − + Δ

=

(II-24) 11 22 12 21

S S S S

Δ = −

(II-25)

Figure II-24 : Facteurs de stabilité mesurés et déterminants des paramètres S des PAs.

Les performances de mesure en petit signal de ces amplificateurs sont comparées sur la Figure II-25. Sous une tension d’alimentation V_dd de 1,2 V avec la même puissance de consommation, l’amplificateur utilisant des lignes S-CPW présente un gain en puissance de 5,6 dB à 60 GHz alors qu’un gain maximal de 3,3 dB est obtenu pour l’amplificateur utilisant des lignes TFMS est à 65 GHz.

Par ailleurs, les deux amplificateurs sont adaptés en entrée et en sortie à mieux que -10 dB aux fréquences de fonctionnement.

(a) (b)

Figure II-25 : Comparaisons des performances mesurées du PA utilisant des lignes S-CPW et utilisant les lignes microrubans. (a) Gain en puissance, (b) Paramètres de réflexion en entrée et en sortie.

En ce qui concerne le point de compression en sortie OCP1dB, les gains et les puissances de sortie mesurés en fonction des puissances d’entrée variant entre -15 et 10 dBm sont comparés dans la

Figure II-26 (a). Pour l’amplificateur à lignes S-CPW, le point de compression est de 7 dBm à 60 GHz et la puissance de saturation P_sat est supérieure à 10 dBm. La version utilisant les lignes microruban est moins performante : le point de compression à la fréquence où le gain est maximum en mesure (65 GHz) est de 5 dBm et la puissance de saturation est d’environ 8 dBm. Sur la Figure II-26 (b), l’efficacité en puissance ajoutée PAE est comparée, montrant un écart de 10 % sur les valeurs maximales (16 % contre 6 %).

(a) (b)

Figure II-26 : Comparaisons des performances mesurées du PA utilisant des lignes S-CPW à 60 GHz et utilisant les lignes microrubans à 60 GHz. (a) Point de compression, (b) Efficacité en puissance ajoutée.

Le Tableau II-2 récapitule les performances mesurées des amplificateurs en termes de gain en puissance, de point de compression en sortie, de puissance de saturation et d’efficacité. Ces résultats

permettent de montrer les améliorations apportées par l’utilisation des lignes à ondes lentes par rapport aux lignes microruban classiques dans les interfaces intégrés millimétriques.

Freq. (GHz) Gp (dB) OCP 1dB (dBm) P_sat (dBm) PAE (%) Surface (µm²) PA(S-CPW) 60 5,6 7 >10 16 0,59 PA(TFMS) 65 3,3 5 >8 6 0,69

Tableau II-2 : Performances mesurées des PAs à un étage à 60 GHz utilisant des lignes S-CPW et des lignes microruban.

Dans le document Apport des lignes à ondes lentes S-CPW aux performances d'un front-end millimétrique en technologie CMOS avancée (Page 63-67)