Performances des amplificateurs

III.3.2.1Comparaison des performances simulées avec un PA intégrant des lignes TFMS

Cette section traite la comparaison des performances simulées de deux amplificateurs à trois étages en technologie CMOS 65 nm l’un (PA/S-CPW) utilisant des lignes à ondes lentes SCPW9 et l’autre (PA/TFMS) utilisant des lignes microruban TFMS2. Pour les deux amplificateurs, les transistors utilisés sont les mêmes qui sont polarisés de même manière et les longueurs électriques de lignes S-CPW et de lignes TFMS2 choisies sont identiques. Sur la Figure III-25, les performances mesurées de ces lignes sont comparées en fonction de la fréquence.

(a) (b)

Figure III-25: Comparaison des performances mesurées des lignes S-CPW avec les lignes TFMS utilisées dans la conception des PAs en technologie CMOS 65 nm sur (a) Zc et α, (b) ε_reff et Q.

L’impédance caractéristique de la ligne SCPW9 et TFMS2 sont légèrement différentes (28 Ω pour SCPW9 contre 31 Ω pour TFMS2). La permittivité relative effective est seulement de 3,6 pour la ligne TFMS2 et de 29,5 pour la ligne SCPW9. Leurs pertes linéiques, quant à elles, sont respectivement de 1,1 dB/mm(TFMS2) et 1,64 dB/mm (SCPW9) à 60 GHz, conduisant à un facteur de qualité quasiment deux fois supérieur pour la ligne SCPW9 (Q = 18) en comparaison avec la ligne TFMS2 (Q = 10).

Les performances simulées en petits et grands signaux pour les deux amplificateurs sont présentées sur la Figure III-26 et récapitulées également dans le Tableau III-5.

(a) (b)

Figure III-26 : Comparaison des performances simulées de l’amplificateur de puissance PA/S-CPW et PA/TFMS en technologie CMOS 65 nm. (a) en petits signaux, (b) en grands signaux à 60 GHz.

f (GHz) G_p (dB) |S11| (dB) |S22| (dB) OCP1dB (dBm) P_sat (dBm) PAE (%) P_DC (mW) PA/S-CPW 60 17,8 -20 -18 12,8 16 22 170 PA/TFMS 60 14,4 -20 -14 11 15 16 170

Tableau III-5 : Résumé des performances simulées des amplificateurs de puissance en technologie CMOS 65 nm utilisant respectivement des lignes SCPW9 et des lignes TFMS2.

La stabilité inconditionnelle de ces deux amplificateurs est vérifiée sur toute la bande de fréquence comprise entre DC et 110 GHz. A la même fréquence de fonctionnement, le gain en puissance de l’amplificateur à lignes S-CPW est 3,4 dB supérieur (17,8 dB contre 14,4 dB). Leurs points de compression sont respectivement de 12,8 et 11 dBm alors que les puissances de saturation sont respectivement de 16 dBm et 15 dBm. Avec la même consommation en puissance, l’amplificateur utilisant des lignes à ondes lentes présente un meilleur rendement maximum (PAE maximal de 22 % contre 16 % avec les lignes TFMS). Ces résultats permettent de montrer l’intérêt des lignes S-CPW pour la réalisation d’un amplificateur de puissance en bande millimétrique.

III.3.2.2Performances mesurées de l’amplificateur réalisé avec des lignes S-CPW

L’amplificateur de puissance PA/S-CPW a été caractérisé sur le banc 110 GHz de l’IMEP-LAHC. Nous avons adopté la méthode de calibrage de type LRRM pour la mesure en petit signal (paramètres S). La caractérisation en fort signal (puissance de sortie et point de compression) est effectuée grâce à l’utilisation d’un amplificateur de puissance externe. Cet amplificateur externe fonctionne dans la bande 55 GHz-65 GHz et peut fournir une puissance maximale d’environ 12 dBm en entrée de l’amplificateur sous test afin d’atteindre son point de compression en sortie.

La Figure III-27 montre les performances en petit signal mesurées et simulées de l’amplificateur. La fréquence mesurée correspondant au gain maximum est décalée de 10 % (55 GHz au lieu de 60 GHz) par rapport à celle prévue en simulation.

(a) (b)

Figure III-27 : Comparaison entre mesures et simulation des paramètres S de l’amplificateur PA/S-CPW (a) |S21|, (b) |S11|et |S22|.

L’amplificateur présente un gain en puissance mesuré en petit signal de 18,3 dB à 55 GHz sous 1,2 V, avec le courant de polarisation de chaque étage respectivement de 21, 40 et 69 mA. Les paramètres de réflexion |S11| et |S22| (Figure III-27 (b)),sont inférieurs à -10 dB autour de la fréquence de gain maximum. En ce qui concerne la mesure du paramètre |S₂₂|, nous constatons plusieurs pics de résonance non prévues (à 45 GHz et à 70 GHz) par la simulation. L’amplificateur est inconditionnellement stable sur toute la bande de fréquence, comme le montre la Figure III-28.

Figure III-28 : Facteur de stabilité et déterminant mesurés de l’amplificateur PA/S-CPW.

Afin d’expliquer les décalages entre mesures et simulations initiales, quatre raisons ont été évoquées et validées lors de rétro-simulations :

• Prise en compte des performances mesurées des lignes de propagation utilisées : ligne à ondes lentes SCPW9 et la ligne microruban TFMS2 de la jonction « T ». Des circuits de test de ces lignes ayant été placés sur le même wafer que le PA.

• Prise en compte du modèle électrique précis des plots de mesure RF (cf. III.2.2). Ce modèle ayant été développé postérieurement à la fabrication de l’amplificateur.

• Optimisation des valeurs des inductances de dégénérescence induites par les accès « source » des transistors. En effet, il est difficile lors des simulations de prédire de façon très précise le comportement inductif de ces accès. Dans la rétro-simulation, nous avons utilisé les valeurs des inductances suivantes : L_s1 = 3,5 pH, L_s2 = 5 pH et L_s3 = 8 pH.

• Prise en compte de l’effet inductif des capacités MOM issues du DK. En effet, nous nous sommes aperçus que ces inductances d’accès n’avaient pas été introduites dans le modèle des capacités fournies par le fondeur. L’ajout d’une inductance de 15 pH dans le modèle de la capacité MOM de 200 fF permet de décaler la fréquence de fonctionnement d’environ 2 GHz.

En tenant compte de ces quatre modifications, nous obtenons après rétro-simulation des paramètres S très proches de ceux mesurés, comme le montre la Figure III-29.

(a) (b)

Figure III-29 : Comparaison entre mesures et rétro-simulation des paramètres S de l’amplificateur PA/S-CPW (a) |S21|, (b) |S11|et |S22|.

Les performances grands signaux mesurées et rétro-simulées à 55 GHz et simulés à 60 GHz sont comparées sur la Figure III-30.

(a) (b)

Figure III-30 : Comparaison des performances en grands signaux de l’amplificateur de puissance à 55 GHz (mesure et rétro-simulation) et à 60 GHz (simulation) en CMOS 65 nm. (a) Gp et Ps, (b) PAE.

Le point de compression mesuré en sortie de l’amplificateur est de 12 dBm, légèrement inférieur à celui obtenu en simulation (12,8 dBm). Avec une consommation de puissance en DC de 156 mW, la puissance de sortie maximale est de 14,2 dBm, conduisant à une efficacité en puissance ajoutée de 16 %. Le facteur de mérite mesuré de l’amplificateur est de 861 W·GHz². La simulation prédit 16 dBm en puissance de saturation et 22 % en rendement, conduisant à un facteur de mérite de 1900 W·GHz². Les résultats de rétro-simulation sont proches de ceux mesurés. Ceci valide de nouveau l’approche adoptée basée sur l’amélioration des modèles des composants passifs intégrés avec le PA.

Nous regroupons les résultats de mesure et de rétro-simulation à 55 GHz et ceux de la simulation à 60 GHz dans le Tableau III-6.

f (GHz) Gp (dB) |S11| (dB) |S22| (dB) OCP1dB (dBm) Psat (dBm) PAE (%) PDC (mW) FoM (W·GHz²) simulation 60 17,8 -20 -18 12,8 16 22 170 1900 mesure 55 18,3 -11 -10 12 14,2 16 156 861 rétrosimulation 55 18,5 -10 -17 12,1 15 17 170 1150

Tableau III-6 : Performances récapitulées de l’amplificateur PA/S-CPW conçu en CMOS 65 nm.