Optimisation de structures différentielles en technologie SiGe pour applications en bande millimétrique. Application à la conception d'un mélangeur doublement équilibré en bande K
Résumé
Present work contributes to BiCMOS SiGe monolithic technology evaluation for future high-performance millimetre-wave telecommunications applications. For theses applications, balanced circuit architectures are very attractive according to their low noise susceptibility and their EMI radiation immunity. However, as frequency is increased, passive devices losses raise and classical differential amplifier topologies cannot achieve sufficiently well balanced operation. Thus, our main purpose is to propose innovative differential topologies suitable for millimetre-wave high-performance balanced circuits. Firstly, the evaluation of several interconnection technologies (microstrip, coplanar waveguide and coplanar strips) integrated on silicon substrate is presented. An inductor library then is designed for K and Ka frequency band operation. Enhanced performance inductors are issued from the analysis of losses mechanisms. A second part addresses the performance optimization of differential circuits for future applications in the 20-40 GHz frequency range. Firstly, we demonstrate that classical approaches for differential pair design lead to poor balanced behaviour in the millimetre-wave frequency band, because of intrinsic transistor characteristics. Original differential pair topologies are then proposed to overcome these drawbacks. These structures are then applied for the design of a 20 GHz active balun. Finally, a double balanced frequency converter from 20 GHz to 1 GHz is designed. The whole chip integrates the mixing cell and the three couplers. The characterization of this circuit demonstrates the usefulness of our choice for interconnections and confirms the great interest of developed original differential structures.
Cette thèse apporte une contribution à l'évaluation des potentialités de filières SiGe de type BiCMOS pour les futures applications de télécommunications en bande millimétrique. Dans ce cadre, les topologies équilibrées ou différentielles sont très attrayantes, en raison de leur bonne immunité aux perturbations électriques et électromagnétiques. La montée en fréquence des applications hyperfréquences sur silicium s'accompagne de nouvelles difficultés. Les pertes introduites par les éléments passifs augmentent et les performances des structures différentielles classiques chutent très rapidement. Il est alors nécessaire d'exploiter d'autres techniques et de rechercher des topologies innovantes permettant la réalisation de fonctions équilibrées performantes. Une première partie est consacrée à l'évaluation des potentialités des différentes technologies d'interconnexions (microruban, guides coplanaires et lignes à rubans coplanaires) exploitables pour la conception de circuits monolithiques sur silicium. Dans un second temps, une bibliothèque d'inductances optimisées pour une utilisation en bande K et Ka est constituée. Les mécanismes physiques à l'origine des pertes dans ce type d'élément sont détaillés afin de dégager les solutions permettant d'améliorer leurs performances. Une deuxième partie traite de l'optimisation des performances des circuits différentiels pour les futures applications dans la gamme 20-40 GHz. Dans un premier temps, nous détaillons les caractéristiques hautes fréquences du transistor qui pénalisent le fonctionnement d'une structure différentielle classique. Des topologies de structures différentielles originales permettant de résoudre ce problème sont ensuite proposées. Ces structures sont appliquées à la conception d'un diviseur de puissance actif 180° original, optimisé pour une fréquence centrale de fonctionnement de 20 GHz. Enfin, un convertisseur de fréquences 20 GHz vers 1 GHz a été conçu et réalisé. Celui-ci intègre, outre le mélangeur, le s trois coupleurs actifs 180° nécessaires à la génération / recombinaison des signaux différentiels utiles au mélangeur. La caractérisation de ce convertisseur de fréquences démontre la pertinence des configurations choisies pour les interconnexions ainsi que le grand intérêt des structures différentielles originales mises en Suvre.
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