Pour caractériser les performances fréquentielles des filières technologiques, deux paramètres sont couramment utilisés : la fréquence maximale d’oscillation Fmax et la fréquence de transition Ft. La fréquence maximale d’oscillation Fmax correspond à la fréquence de coupure du gain en puissance, c’est-à-dire la fréquence pour laquelle le gain en puissance est unitaire. La fréquence de transition Ft est la fréquence pour laquelle le gain en courant est unitaire. Ces deux paramètres sont complémentaires et des valeurs élevées sont un facteur d’amélioration des performances des circuits réalisés.
Dans notre cas, le paramètre principal à améliorer est le jitter et il sera d’autant plus faible que les temps de montée et descente seront courts. La commutation rapide des transistors génère alors des appels de courant au niveau des transistors, qui seront d’autant plus brefs que la fréquence Ft sera élevée. Parallèlement, les commutations génèrent des composantes harmoniques à haute fréquence et il faut donc aussi que les composants présentent une large bande-passante, donc une fréquence Fmax
élevée. On va donc choisir des technologies qui présentent à la fois des fréquences Fmax et Ft élevées, typiquement au-delà de 100 GHz.
III / V
Silicium CMOS SiGe TBH
BiCMOS SiGe InP HEMT GaAs HEMT InP TBH GaAs TBH Bipolaire Effet de champ
Figure 30 : Classification des technologies à Ft et Fmax élevées envisageables pour notre projet
Ces technologies sont classées Figure 30. On retrouve les distinctions classiques entre transistors à effet de champ et transistors bipolaires et entre substrat de silicium et substrat en matériaux III / V. Dans le but d’atteindre des performances élevées, les transistors intègrent des variations de matériaux en plus des variations de dopages ce qui permet de réaliser pour les structures verticales des TBH (Transistor Bipolaire à Hétérojonction ou HBT en anglais) et pour les structures
horizontales des HEMT (transistor à haute mobilité électronique, en anglais High Electron Mobility Transistor).
2 HEMT ou HBT
2.1 Influence sur l’échantillonneur-bloqueur
Le choix de la technologie est particulièrement influencé par la partie échantillonnage du système. Un transistor à effet de champ agit naturellement comme un commutateur : le passage du signal entre la source et le drain est conditionné par la tension appliquée sur la grille. Pour être plus précis, c’est la tension grille-source qui détermine l’état de fonctionnement du transistor. Au moment de l’échantillonnage on vient bloquer le transistor en jouant sur la tension de la grille, on est donc fortement dépendant du niveau du signal d’entrée. Différentes techniques ont été proposées pour contourner ce problème, soit en modifiant la tension de grille en fonction du niveau du signal d’entrée, soit en utilisant une architecture à drain commun commuté ([21]), mais les performances sont généralement moins bonnes que celles des topologies concurrentes.
Pour les systèmes hautes performances, deux techniques sont couramment utilisées et sont illustrées Figure 31 : la première est basée sur la commutation d’un pont de diodes schottky et la deuxième sur la commutation d’un transistor bipolaire monté en émetteur suiveur (SEF, en anglais Switched Emitter Follower). Dans les deux cas une variation brusque du courant de polarisation obtenue le plus souvent par basculement d’une paire différentielle permet d’ouvrir ou de bloquer les jonctions (de diode ou base-émetteur pour le transistor), et ainsi d’obtenir les modes passant et bloqué d’un commutateur. VSS VCC entrée sortie VSS VCC entrée sortie entrée sortie VCC VSS entrée sortie VCC VSS (a) (b)
Figure 31 : architectures de commutateurs utilisés dans les échantillonneurs-bloqueurs (a) à pont de diodes schottky et (b) à transistor bipolaire (SEF)
En termes de performances, la commutation des diodes est certainement plus rapide que la commutation d’un transistor mais les fortes non-linéarités associées à cette technique nécessitent des compensations analogiques et en réduisent les performances. De plus cette solution s’adapte mal à un fonctionnement différentiel qui est souvent recherché pour compenser les effets parasites de commutation. Enfin, elle nécessite la réalisation de diodes Schottky qui ne sont pas toujours disponibles dans les filières technologiques actuelles. L’utilisation d’un pont de diodes commuté est
nécessaire aux technologies ne disposant pas de transistors bipolaires, c'est-à-dire les technologies HEMT, mais peu courante sur les technologies TBH pour lesquelles la technique de commutation de transistors est généralement retenue. Pour des applications particulières moins exigeantes en résolution, par exemple pour atteindre de très grandes bandes-passantes, le pont de diodes est souvent employé.
Si l’on reprend l’état de l’art des échantillonneurs-bloqueurs établi au paragraphe A - III - 4.2, parmi les treize références retenues, deux seulement ont été réalisées en technologie HEMT et dix en technologie TBH, la dernière utilisant des transistors bipolaires silicium. Concernant la technique de commutation, quatre utilisent un pont de diodes, huit utilisent la commutation de transistors et une seule commute directement des transistors HEMT. On vérifie ainsi que la commutation est presque toujours réalisée par des composants bipolaires et que les technologies TBH sont les plus couramment retenues.
2.2 Influence du reste du système
Dans notre cas, l’objectif est de réaliser un système complet qui intègre bien sûr les échantillonneurs-bloqueurs mais aussi d’autres fonctions analogiques et numériques. Pour la partie analogique les différences entre HEMT et HBT sont minimes, avec sans-doute un petit avantage pour les HEMT en raison de leurs faibles niveaux de bruit. En revanche pour la partie numérique, c'est-à-dire dans notre cas la partie qui génère les signaux de déclenchement, l’avantage va aux transistors bipolaires qui présentent une plus grande uniformité des tensions de seuil ([89], [90]). Ceci conduit en effet à une plus grande homogénéité des portes logiques et donc une réduction du jitter statique.
En conclusion, le choix d’une technologie TBH pour notre application s’impose, principalement pour la conception des échantillonneurs-bloqueurs mais aussi pour la structure de déclenchement. On pourra ainsi réaliser des commutations rapides et précises, avec peu de dispersion technologique ce qui réduira les erreurs induites par le jitter. Trois technologies bipolaires ont atteint le stade de production industrielle et peuvent donc être envisagées : les TBH GaAs, les TBH InP et les TBH SiGe.
3 InP, GaAs ou SiGe
Dans [91], Zolper propose une étude des performances des technologies bipolaires en fonction du substrat. Les filières technologiques sont représentées en fonction de leur tension de claquage et de leur fréquence de transition FT (Figure 32). On voit ainsi que les filières sur GaAs présentent des fréquences plus faibles que les deux autres. Si on regarde en détail les performances de cette technologie, on s’aperçoit que plusieurs paramètres tels que la tension base-émetteur ou la conductivité thermique sont plus mauvais que pour les deux autres technologies [92]. De manière générale les différents paramètres caractéristiques de cette technologie sont moins bons que ceux des TBH InP. En choisissant une filière GaAs HBT, on s’impose donc les contraintes associées à l’utilisation de technologies III / V sans toutefois atteindre les excellentes performances des TBH InP.
On remarque aussi sur la Figure 32 que pour une fréquence de transition donnée, les tensions de claquage sont beaucoup plus élevées pour les filières sur InP que pour les filières SiGe. Une tension de claquage plus élevée joue un double rôle sur l’amélioration des performances : d’une part elle
permet d’augmenter l’excursion du signal et ainsi de réduire l’influence du bruit et d’autre part elle allège les contraintes de conception et permet d’utiliser des architectures qui améliorent la résolution.
Fréquence de coupure FT, GHz T en si o n d e cl a q u a g e co ll ec te u r-é m et te u r, V
Figure 32 : Tension de claquage en fonction de la fréquence de coupure pour différentes filières technologiques TBH
En 2004 un comparatif des technologies est présenté ([90]) et confirme les potentialités des filières TBH sur InP pour les applications mixtes analogiques-numériques (Figure 33).
Fréquence d’horloge, GHz P er fo r m a n c e n o r m a li sé e
Figure 33 : Pour les applications mixtes analogiques-numériques et numériques haute fréquence, performance normalisée en fonction de la fréquence d'horloge pour différentes filières
En termes de performances, la technologie TBH sur InP est donc la mieux adaptée à la réalisation d’échantillonneurs-bloqueurs. Pour la réalisation d’un système complet, un autre avantage comparé aux technologies silicium est la qualité des lignes de transmission qui présentent en effet beaucoup moins de pertes sur InP. Les filières TBH InP présentent cependant plusieurs limitations qui peuvent justifier le choix d’une technologie TBH SiGe pour certaines applications. La consommation de ces filières et en effet très élevée et peut être un facteur limitant pour les solutions embarquées. Cette forte consommation pose aussi le problème de la dissipation thermique qu’il est nécessaire de prendre en compte dans l’assemblage du système final. Enfin, cette technologie est encore en cours de développement et les modèles de simulation sont donc moins précis que ceux des filières TBH SiGe.
Dans le cadre de notre projet, les faibles volumes de production envisagés et surtout les excellentes performances visées nous ont poussés au choix d’une filière TBH InP.