Résonateurs BAW pour des oscillateurs dans les émetteurs-récepteurs RF:

Les oscillateurs sont utilisés quasiment dans tous les systèmes de communications. Ainsi cette deuxième fonction est aussi importante que la fonction de filtrage dans la mesure où chaque système RF sans fil nécessite une référence de temps (une source de signal périodique). Le générateur de fréquence permet en émission de générer le signal de la fréquence porteuse et en réception le signal de l’oscillateur local. En conséquence, les performances en termes de stabilité fréquentielle et de bruit de phase sont cruciales pour remplir cette fonction. Le résonateur va servir comme élément de référence et sera utilisé pour stabiliser la fréquence de l’oscillateur. Ce signal de référence est le plus souvent obtenu par synthèse de fréquence, en multipliant la fréquence de résonance d’un oscillateur très stable à basse fréquence (le plus souvent utilisant le Quartz comme résonateur) grâce à une boucle à verrouillage de phase (PLL) (FIG.1-33) ou une boucle à verrouillage de délais (DLL)[R.1.131].

Les critères les plus importants pour un oscillateur sont une bonne stabilité, un faible bruit de phase, une faible consommation afin d’améliorer l’autonomie des systèmes alimentés par batterie, une puissance de sortie conséquente, un faible encombrement ainsi qu’une intégration dans les technologies silicium avancées CMOS et BiCMOS. Avec la montée continue en fréquence, ces oscillateurs doivent aussi fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées tout en gardant l’objectif de réduire le coût du composant et de conserver des caractéristiques techniques compatibles avec l’application .

FIG.1-33: Exemple de boucle à verrouillage de phase (PLL) utilisant un résonateur comme élément de référence

Dans la suite, nous donnons une brève description des solutions commercialisées pour les oscillateurs en décrivant les limites de chaque technologie pour des applications radiocommunication. Nous

introduisons la solution BAW avec ses avantages ainsi que les défis à surmonter. Actuellement, les principales technologies d'oscillateurs et d'horloges sont à base de quartz, de céramique ou de silicium en technologie MEMS et CMOS. Les oscillateurs à quartz constituent l'essentiel du marché (de 70 % à 80 % en valeur en 2007). Grâce à leur stabilité en fréquence, ces oscillateurs ont longtemps monopolisé le marché des oscillateurs pour les fréquences allant de quelques kilohertz jusqu’à 250 MHz voir même le GHz en utilisant des structures à PLL intégrée (FIG.1-33).

Selon le niveau de stabilité nécessaire de la fréquence du signal d’horloge (Tableau.1-2) on utilisera des oscillateurs simples XO (X-tal (Crystal) Oscillator), des oscillateurs dont la fréquence est ajustable par une tension VCXO (Voltage Controlled X-tal Oscillators), des oscillateurs dont les variations de fréquence en fonction de la température sont compensées TCXO (Temperature Compensated X-tal Oscillator) ou encore des oscillateurs faisant fonctionner le résonateur dans un four maintenu à température constante OCXO (Oven Controlled X-tal Oscillator)[R.1.92]. Dans un téléphone portable, le signal de l'horloge est généré par un oscillateur de type TCXO qui est constitué d’un résonateur à Quartz, d’un capteur de température et d’un circuit intégré pour compenser la dérive en fréquence du résonateur. Le TCXO fournit une fréquence très stable de 26 ou 38 MHz qui est utilisée par une PLL pour asservir les oscillateurs locaux utilisés dans la conversion du signal RF en bande de base dans la chaîne d'émission ou de réception[R.1.14]. Bien que le résonateur à Quartz offre un fort facteur de qualité à basse fréquence et un faible bruit de phase, les performances du système global restent insuffisantes à cause de la forte consommation, du bruit de phase élevé et du temps de mise en marche des synthétiseurs de fréquence qui est assez long. A titre d’exemple, pour un synthétiseur délivrant un signal à 434 MHz avec un bruit de phase de -112dBc/Hz à 500kHz d’offset une consommation en puissance de 400 µW est nécessaire[R.1.131-R.1.132]. Une meilleure performance de bruit de phase peut être obtenue mais au détriment de la consommation en puissance (pour un synthétiseur de fréquence à 900 MHz avec un bruit de phase de -127dBc/Hz à 330kHz d’offset une puissance de130mW est consommée[R.1.131]).

Ces problèmes deviennent de plus en plus critiques avec la montée en fréquence[R.1.132]. De plus, malgré les efforts importants pour réduire les dimensions de ce composant (en particulier son épaisseur fixée par la fréquence de fonctionnement), le TCXO reste le composant discret le plus volumineux dans un téléphone portable [R.1.14]. Ceci rend impossible son intégration dans un module RF ce qui permettrait de réduire la consommation. Ainsi, plusieurs travaux ont été menés afin de proposer des nouvelles solutions pour la fonction oscillateur avec de meilleures performances.

Type d’oscillateur XO VCXO TCXO OCXO

(∆f/f)(T) ±20ppm ±20ppm ±1ppm 0.1ppm à 0.001ppm

(∆f/f(t)) (1 an) 1ppm 1 à 10ppm 0.1 à 10ppm 0.1ppm à 0.001ppm

Tableau.1-2 : Comparaison de la stabilité en température et dans le temps des principaux types d’oscillateur

Les premières solutions proposaient le remplacement des résonateurs à Quartz par des résonateurs électromécaniques[R.1.133]. Les spécifications majeures de ces composants sont un fort facteur de qualité, une précision en fréquence critique, une faible dérive en température et une faible consommation.

FIG.1-34: Les solutions proposées pour remplacer le quartz avec les noms des principaux fournisseurs

Actuellement, il existe principalement deux alternatives basées sur des nouvelles technologies et une troisième solution qui est une combinaison entre le quartz et les MEMS qui sont commercialisées pour remplacer le quartz (FIG.1-34):

Les oscillateurs LC à base de circuits CMOS: qui utilisent une compensation électrique pour maintenir la stabilité de l’oscillateur. Cette solution pourrait répondre à la nécessité d'un temps de démarrage rapide et une faible consommation, mais la variation de fréquence et le bruit de phase sont médiocres[R.1.132]. Leur précision fréquentielle est à ce jour meilleure que 500 ppm. Cette technologie est commercialisée par MOBIUS MICROSYSTEMS et SILICON LABS.

-Les oscillateurs MEMS sur silicium: un oscillateur MEMS est constitué du résonateur MEMS (une structure micro-usinée qui vibre à une fréquence spécifique, sous l'effet d'une excitation externe), des circuits assurant les fonctions d'oscillation, de compensation de la fréquence en fonction de la température et du boîtier. Cette solution utilise un module comprenant en plus de l’oscillateur MEMS qui fonctionne à basse fréquence (généralement dans la gamme kHz) une PLL pour multiplier la fréquence et obtenir une horloge programmable dans la gamme des MHz[R.1.134]. Cette technologie n’est vraiment nouvelle. Les premières publications mentionnant des résonateurs RF MEMS appliqués à des oscillateurs sont apparues dans les années 1980. Toutefois, leur commercialisation a pris du retard pour des problèmes de stabilité en température du silicium et d’encapsulation coûteuse. Les progrès importants accomplis ces dernières années en ce qui concerne le processus de fabrication, l'encapsulation et l'intégration des circuits ont rendu la commercialisation d’une telle technologie possible par plusieurs fournisseurs, dont les principaux sont SITIME et DISCERA.

-QMEMS : C’est une solution qui combine l’oscillateur à Quartz et la technologie des MEMS. En effet les grand progrès de la technologie MEMS en Si pour des applications de bases de temps ont suscité l’intérêt des fabricants d'oscillateurs à quartz, ce qui a permis l’apparition de la technologie du

quartz micro-usiné (appelé aussi QMEMS). Cette technologie est déjà commercialisée par des entreprises telles que EPSON et TOYOCAM.

Ces solutions, bien qu’elles offrent des capacités de miniaturisation, ne répondent pas toujours aux exigences de faible consommation et de faible bruit de phase ; en effet, il faut souvent trouver un compromis. La domination persistante des oscillateurs à quartz dans les téléphones portables en témoigne. Ainsi de nouvelles solutions dans l’objectif d’allier toutes les performances mentionnées ci- dessus sont nécessaires pour répondre du mieux possible aux besoins de l’application téléphone mobile.

Dans ce contexte, les oscillateurs à base de résonateurs BAW ont montré des performances supérieures en termes de consommations et bruit de phase par rapport aux oscillateurs CMOS par exemple. Depuis 2003, B.P. OTIS et J.M. RABAEY ont publié des résultats d’un oscillateur utilisant la topologie Pierce avec un FBAR comme élément résonant totalement intégré en technologie CMOS. Cet oscillateur fonctionne à 1.9 GHz, possède une bonne stabilité en fréquence, un bruit de phase de –120dBc/Hz à 100kHz d’offset et un temps de démarrage inférieur à 800ns pour une consommation de 300mW[R.1.132].

Ces résultats assez encourageants combinés à l’évolution du cahier des charges ont fait que les leaders industriels et les pôles de recherche mondiaux dans le domaine des BAW se sont mis dans la course pour gagner ce nouveau défi ambitieux et difficile avec de nouvelles exigences assez sévères en termes de stabilité de la fréquence de résonance pour concurrencer le quartz.

L'idée de base consiste à exploiter un résonateur BAW avec un bon facteur de qualité (supérieur à 1000) pour une fréquence de l'ordre du GHz. Des divisions successives sont ensuite utilisées pour revenir à la fréquence standard d'exploitation du résonateur à Quartz.

Comme les résonateurs BAW présentent de bons facteurs de qualité même aux fréquences élevées, une bonne stabilité en fréquence et une consommation assez faible, ils permettent d’obtenir des oscillateurs performants à faible bruit de phase. En conséquence, ils sont utilisés comme source de référence de fréquence dans des montages d’oscillateurs locaux classiques tels que le montage Pierce[R.1.129]ou Colpitts[R.1.130](FIG.1-35).

De plus, ces résonateurs ont un faible encombrement, sont intégrables sur silicium et fonctionnent directement à des fréquences supérieures à 1 GHz ce qui permet lors de leur utilisation de s’affranchir du circuit de synthèse de fréquence RF.

Un oscillateur utilisant un résonateur BAW peut également être adapté pour générer des fréquences jusqu’à 20 GHz en utilisant des résonateurs HBAR qui semblent être les plus performants étant donné qu’ils fonctionnent sur un mode harmonique pour lequel le coefficient de qualité est très élevé.

Enfin, certaines facilités de la technologie BAW telles que la possibilité d’ajustement de la fréquence post-fabrication appelé souvent l’étape de « trimming » et la possibilité de compensation en

température par ajout d'une couche de SiO2

[R.1.135]

sont aussi des atouts de cette technologie pour mettre en œuvre la solution BAW pour l’application oscillateur.

Tous ces avantages ont fait que les résonateurs BAW en configuration SMR[R.1.136-R.1.138] ou FBAR [R.1.139-R.1.143]

, constituent des candidats prometteurs pour l’application oscillateurs et récemment de nombreux travaux exploitant un résonateur BAW compensé en température par ajout d'une couche de SiO2 ont été publiés dans ce sujet. Et même si la mise en production des oscillateurs à base de

résonateur BAW n’est pas encore décidée à ce jour, les résultats atteints (notamment par la compagnie AVAGO) laissent penser que la décision de la commercialisation est imminente[R.1.144].

FIG.1-35: Exemples de schémas électriques d’oscillateur (a) Pierce et (b) Colpitts utilisant un BAW comme élément résonant

Autres que ces deux applications potentielles de la technologie BAW pour le secteur de télécommunications et traitement de signal, il existe d’autres applications en cours d’étude pour de nombreux nouveaux domaines technologiques qui sont moins connus. Nous pourrons citer dans ce contexte les travaux pour des applications capteurs telles que les capteurs pour l’automobile, biocapteurs pour des applications médicales, la mesure des propriétés physiques et chimiques telles que les capteurs de pression, mesure de champ continu, les capteurs fluidique etc.[R.1.153-R.1.156].

Après une présentation du mode de fonctionnement du résonateur et filtre BAW, on s’intéresse dans la partie suivante aux modèles utilisés pour l’analyse du fonctionnement du résonateur BAW.