Circuits et Systmes de Communication Microondes Chap 4

Circuits et Systèmes de Communication Micro-ondes Chap. 4: Composants actifs hyperfréquences Halim Boutayeb Phone: (514) 875 -1266 ex. 3066 boutayeb@emt. inrs. ca Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 1

Plan I. Introduction II. Diode Schottky III. Diode Varactor IV. Diode PIN V. Transistor Bipolaire VI. Transistor a effet de champs (TEC) Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 2

I. Introduction v Deux types d’applications des éléments actifs hyperfréquences : - Traitement du signal (commutation, modulation, conversion de fréquence, detection): Diodes pin, Schottky, varactor. Selon l’application, leur fonctionnement peut être linéaire ou non-linéaire du point de vue du signal appliqué. - Generation du signal : transistors bipolaire ou à effet de champ. Les transistors sont surtout utilisés pour les amplificateurs, mais leurs propriétés non-linéaires peuvent être également exploitées dans la réalisation de mélangeurs, des multiplicateurs et des diviseurs de fréquences. Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 3

I. Introduction v La conception d’un dispositif hyperfréquences fait appel aux connaissances suivantes: - Le modèle (schéma équivalent linéaire ou non-linéaire/ paramètres S) d’un composant actif - Prise en compte des limitations dans le fonctionnement du composant actif. - Comportement du composant actif en fonction de la température. Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 4

I. Introduction v Rappels: les semiconducteurs Les semiconducteurs sont des matériaux présentant une conductivité electrique intermédiaire entre les métaux et les isolants. Les états des électrons d’un matériau remplissent les niveaux d’énergies de manière croissante. Dans le métal le niveau maximum d’énergie atteint à 0 K se trouve dans la bande de conduction. Dans un semi-conducteur ce niveau est dans une bande interdite mais l’application d’une énergie suffisante permet aux électrons de se déplacer vers la bande de conduction. Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 5

I. Introduction v Rappels: les semiconducteurs - Dans un semi-conducteur un courant électrique est favorisé par deux types de porteurs: les électrons (porteurs négatifs) et les trous (porteurs positifs). - Dopage N: excès d'électrons porteurs dans le semi-conducteur. - Dopage P: excès de trous (déficit d’électrons) dans le semi-conducteur. - Jonction PN: Jonction PN polarisée en direct Janvier 2007 Jonction PN polarisée en inverse Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 6

Plan I. Introduction II. Diode Schottky III. Diode Varactor IV. Diode PIN V. Transistor Bipolaire VI. Transistor a effet de champs (TEC) Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 7

II. Diode Schottky v Caractéristiques courant-tension d’une diode Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 8

II. Diode Schottky v Principe de la diode Schottky - Une diode Schottky utilise une jonction métal-semiconducteur (au lieu d'une jonction PN). Le semiconducteur peut être de type N ou de type P. - Lorsque le semiconducteur est de type P: le substrat riche en électron libre est un métal (et non pas un semiconducteur de type N). Le substrat déficitaire en électrons est alors le semiconducteur de type P. v Avantages : - Alors que les diodes standard ont une tension de seuil d'environ 0. 6 V, les diodes Schottky ont une tension de seuil (pour une polarisation directe d'environ 1 m. A) dans la gamme de 0. 15 V à 0. 45 V. - Grande vitesse de commutation. v Applications: mélangeurs et détecteurs Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 9

II. Diode Schottky v Principe d’un détecteur à diode supprimé par filtrage RF out DC RF in Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 10

II. Diode Schottky v Profils des bandes d’énergie pour la diode Schottky Profil des bandes d’énergie lorsque le métal est en contact avec le semiconducteur. Métal Une “barrière” de potentiel empêche les électrons ou Semiconducteur les trous de se déplacer du métal vers le semitype N conducteurs Le courant est crée par le déplacement des électrons du semi-conducteurs de type N vers le métal (se déplacement se fait par émission thermique). Il n’y a pas de recombinaisons de trous et donc la vitesse de commutation est plus grande que pour la diode PN. Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 11

II. Diode Schottky Built in potential Potentiel à travers le semi-conducteur Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 12

II. Diode Schottky Polarization direct Janvier 2007 Polarization inverse Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 13

II. Diode Schottky Caracteristiques Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 14

II. Diode Schottky Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 15

II. Diode Schottky Equation de la diode Circuit équivalent (modèle statique) Arséniure de gallium I(V) V Janvier 2007 C(V) g(V) Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 16

II. Diode Schottky Agilent HSCH 9161 Cut-off ≈ 100 GHz Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 17

Plan I. Introduction II. Diode Schottky III. Diode Varactor IV. Diode PIN V. Transistor Bipolaire VI. Transistor a effet de champs (TEC) Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 18

III. Diode Varactor v Varactor = Variable Reactor Appelée aussi varicap. C’est une diode formée d’une jonction PN. v Applications : -VCO (Oscillateurs commendes en tension) - Amplificateurs - multiplicateurs de fréquence - déphaseurs v Deux profils de dopages : -Abrupte -Hyper-abrupte Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 19

III. Diode Varactor Quand une diode est polarisée en inverse, sa capacité diminue lorsque la tension inverse augmente. On a une capacité variable en fonction de la tension appliquée. Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 20

III. Diode Varactor v Profil de densités des porteurs donneurs. Hyperabrupte: n entre 0. 5 et 2. Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 21

III. Diode Varactor Variation de la capacite Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 22

III. Diode Varactor v La diode varactor hyper-abrupte permet d’avoir une fréquence variant linéairement avec la tension Si n = 2 la fréquence de résonance est une fonction linéaire de V Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 23

III. Diode Varactor Modèle équivalent Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 24

III. Diode Varactor v Exemples d’applications VCO Déphaseur Multiplicateur de fréquences Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 25

Plan I. Introduction II. Diode Schottky III. Diode Varactor IV. Diode PIN V. Transistor Bipolaire VI. Transistor a effet de champs (TEC) Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 26

IV. Diode PIN Région intrinsèque (non dopée) Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 27

IV. Diode PIN v. Applications : Les diodes PIN sont utilisées pour le contrôle du niveau et de la phase des signaux hyperfréquences. v. Avantages : - Elles peuvent supporter des puissances très élevées et consomment peu de puissance de contrôle. - Elles peuvent être commutée rapidement. - Elles sont très fiables. Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 28

IV. Diode PIN Modèle équivalent Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 29

IV. Diode PIN Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 30

IV. Diode PIN Commutateur à diode PIN Le signal est transmis que dans un seul sens La même antenne est utilisée en émission et en réception Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 31

IV. Diode PIN Atténuateurs à diodes PIN : contrôle automatique du gain. Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 32

Plan I. Introduction II. Diode Schottky III. Diode Varactor IV. Diode PIN V. Transistor Bipolaire VI. Transistor a effet de champs (TEC) Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 33

IV. Transistor bipolaire C’est un amplificateur de courant On injecte un courant dans l’espace base/émetteur afin de créer un courant multiplié par le gain du transistor entre l’émetteur et le collecteur. Janvier 2007 Les transistors bipolaires N. P. N. (négatif-positif-négatif) laissent circuler un courant de la base (+) vers l’émetteur (-). Ils sont plus rapides et ont une meilleure tenue en tension que les transistors P. N. P. base (-) émetteur (+), mais peuvent être produits avec des caractéristiques Circuits et systèmes de communications micro-ondes ELE 4501 complémentaires par les fabricants pour les applications le–nécessitant. 34

IV. Transistor bipolaire Applications et avantages : -Fréquences < 8 GHz -Gain et facteur de bruit optimum à des coût faible. -Reproductibilité et fiabilité -La maîtrise de la technologie silicium permet à cette technologie d’être plus utilise que les transistors à effet de champs Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 35

IV. Transistor bipolaire Montage base commune IC IE pour VCB compris entre 0 et la tension de claquage de la jonction collecteur base Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 36

IV. Transistor bipolaire Montage emmetteur commun Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 37

IV. Transistor bipolaire Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 38

IV. Transistor bipolaire Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 39

IV. Transistor bipolaire Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 40

IV. Transistor bipolaire Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 41

IV. Transistor bipolaire Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 42

IV. Transistor bipolaire Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 43

IV. Transistor bipolaire Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 44

IV. Transistor bipolaire Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 45

Plan I. Introduction II. Diode Schottky III. Diode Varactor IV. Diode PIN V. Transistor Bipolaire VI. Transistor à effet de champs (TEC) Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 46

IV. Transistor à effet de champ La grille (gate en anglais) est l’organe de commande. Une tension entre la grille et la source permet de contrôler le courant entre la source et le drain. Le courant de grille est nul (ou négligeable) en régime statique. Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 47

IV. Transistor à effet de champ Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 48

IV. Transistor à effet de champ Applications et avantages : -Peut fonctionner jusqu’à 60 GHz -Bruit faible. -Meilleures caractéristiques de distorsion et peut délivrer plus de puissance que les transistor bipolaires Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 4501 49