ELE-667 Hyperfréquences I. Expérience no. 4

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1 École de technologie supérieure Département de génie électrique Professeur: Ammar Kouki ELE-667 Hyperfréquences I Expérience no. 4 Objectifs Conception d un amplificateur à faible bruit pour les applications SCP (Systèmes de Communication Personnelle) en technologie micro-ruban. Génération de masque du circuit. Fabrication, assemblage et test du circuit. Ces objectifs principaux incluent les objectifs secondaires suivants : Conception de circuits d adaptation. Conception de circuits de polarisation. Étude de stabilité. Les étapes de conception d un amplificateur La conception d un amplificateur micro-ondes suit généralement les étapes suivantes : 1. Étude/examen des spécifications de l amplificateurs à concevoir (cahier des charges). 2. Choix du/des transistor(s) à utiliser. 3. Étude de stabilité du/des transistor(s). 4. Choix de la technologie de fabrication. 5. Choix/spécification des impédances de la source et de la charge (entrée et sortie) selon le but de la conception (niveau de bruit, maximisation de la puissance, maximisation du gain, etc.) 6. Conception des circuits d adaptation. 7. Conception des circuits de polarisation. 8. Optimisation, réglages et ajustements finaux. 9. Vérification large bande (s assurer qu il n y a pas d oscillation à basses fréquences). 10. Génération de(s) masque(s). Dans cette expérience on utilisera le transistor GaAs MESFET de NEC : NE Les spécifications techniques de ce transistor peuvent être obtenues au site web : Un modèle électrique de ce transistor existe dans les librairies du simulateur ADS. ELE-667 Hyperfréquences I / Expérience n o 4 1

2 Étape 1 : spécification de l amplificateur En général, les spécifications d un amplificateur sont fournies dans le cahier des charges de l amplificateur tout seul ou de l amplificateur faisant partie d un système ou sous-système microondes. Ces spécifications peuvent être présenter de différentes manières selon l application visée. En général, une spécification de base inclurait : la bande de fréquences d opération de l amplificateur la polarisation, i.e., les tensions et courants disponibles le niveau de gain désiré le niveau de puissance de sortie (P1dB) les impédances à l entrée et à la sortie le niveau d adaptation aux deux ports (S11, S22, ou T.O.S, rarement Γ). Cette spécification peut être détaillée en précisant : l efficacité énergétique requise (liée à la classe d opération du/des transistor(s)) la variation du gain en fréquence (ondulation et courbure) la variation du gain en température la linéarité de l amplificateur : niveau des harmoniques ou des inter-modulations les aspects mécaniques : type de connecteurs, nombre et emplacement des accès, emballage/boîtier, ventilation, alarmes, etc. la technologie de fabrication. Étape 2 : choix du/des transistor(s) Outre les contraintes imposées par les performances requises par les spécifications, plusieurs facteurs affectent le choix de transistors dans la conception d amplificateurs micro-onde. Parmi ces facteurs, dont il faut tenir compte, on a : le coût et la disponibilité des dispositifs la fiabilité et la duré de vie le format à utiliser : puce ou en boîtier les aspects mécaniques : fragilité, facilité à manipuler et à assembler la disponibilité de modèle électrique ou de mesures par le manufacturier la facilité à polariser et à adapter capacité à dissiper la chaleur et performance thermique Étape 3 : étude de stabilité L étude de stabilité est essentielle pour déterminer la nature des circuits d adaptation acceptables et possibles. Elle permet de déterminer si le transistor est inconditionnellement stable ou s il faut le stabiliser d avantage. ELE-667 Hyperfréquences I / Expérience n o 4 2

3 Étape 4 : choix de la technologie de fabrication Le choix de la technologie de fabrication est dicté par plusieurs facteurs dont : les performances électriques : pertes, dispersion, plage d impédances réalisable, etc. le coût des composantes la réalisabilité physique des plus petites et des plus grandes dimensions physiques qui seraient nécessaires la facilité d intégrer les transistors : montage, accès à la masse la nécessité, la qualité et la facilité de(s) mise(s) à la masse la facilité d ajustement et de réglage des circuits la taille physique visée : niveau d intégration les propriétés mécaniques et thermiques Étape 5 : choix des impédances d entrée et de sortie En général, les impédances d entrée et de sortie sont spécifiées et ont une valeur de 50Ω dans la majorité des cas. Cependant, des conceptions non-50ω peuvent être utilisées pour des applications particulières où le choix d impédances résulterait en une conception plus simple et un circuit mieux optimisé pour l application considérée. Étape 6 : conception des circuits d adaptation Cette étape dépend des caractéristiques intrinsèques du/des transistor(s), i.e., les impédances d entrée et sortie, stabilité, niveau d unilatéralité, ainsi que de la largeur de bande désirée. L adaptation par des stubs ou des inductances et des capacités, réalisées dans une technologie appropriée, sont les techniques les plus courantes. Pour des conceptions larges bande, des techniques de compensation et d équilibrage sont généralement utilisées. Étape 7 : conception des circuits de polarisation La fonction principale d un circuit de polarisation est d assurer l apport des tensions et des courants continue au(x) transistor(s) sans affecter le comportement R.F. du circuit. Le circuit de polarisation peut aussi assurer d autres fonctions tel que le réglage manuel ou automatique des tensions et des courants et l adaptation au bloc d alimentation. ELE-667 Hyperfréquences I / Expérience n o 4 3

4 Étape 8 : optimisation, réglages et ajustements Lors de la conception d un amplificateur, des hypothèses simplificatrices sont souvent utilisées et les interactions entre différentes composantes du circuit sont aussi parfois négligées. Cela peut mener à une conception initiale qui donne des performances proches des spécifications mais qui n est pas nécessairement optimale. La procédure d optimisation de certains paramètres et du réglage de certains autres permet, en général, d atteindre les spécifications d une façon optimale. Étape 9 : vérification large bande C est une bonne pratique de simuler le circuit final de l amplificateur sur une large bande de fréquence. En particulier, il faut couvrir les basses fréquences pour vérifier si des oscillations causées par des résonances existent. Étape 10 : génération de(s) masque(s) Cette dernière étape avant la fabrication du circuit est la dernière chance de bien vérifier son circuit et de s assurer de sa réalisabilité. Des outils de DRC (Design Rule Checker) peuvent aider dans cette tâche. Des notes d assemblage indiquant les composantes à insérer, leurs valeurs, leurs orientations. Toutes autres particularités du traitement du circuit sont très utiles, voir nécessaires, et sont généralement ajoutées au(x) masque(s) à ce stade. ELE-667 Hyperfréquences I / Expérience n o 4 4

5 Partie I : manipulations Noter vos démarches et vos résultats et les annexer à votre rapport. Le but de cette partie est de pratiquer deux des taches essentielles dans la conception d un amplificateur : 1. conception d un circuit d adaptation 2. conception d un circuit de polarisation. 1. Circuit d adaptation On veut adapter une charge complexe Z L = j200 Ω à 50 Ω. La charge représente une connexion série d une résistance avec une inductance à une fréquence de 1.9 GHz. À l aide de l abaque de Smith, et pour une impédance caractéristique de 50 Ω: a) trouver les circuits LC qui permettraient l adaptation b) construise le circuit dans le simulateur ADS et simuler les réponses, S11, sur la bande de fréquence 1.8 GHz à 2.0 GHz. c) réaliser la même adaptation en technologie micro-ruban à l aide d un stub de 50 Ω (utiliser un substrat sans pertes, TAND=0, avec ε r = 6.15 h = 25 mils et ne pas mettre de «T», MTEE). trouver les longueurs du stub et ses positions à 1.9 GHz puis simuler, S11, sur la bande 1.8 GHz à 2.0 GHz. Comparer les résultats des deux solutions. 2. Circuit de polarisation 2.a Circuit idéal : Construisez un circuit à trois ports composé d une ligne micro-ruban 50 Ω avec un T au milieu de la ligne (utilisez le même substrat que l étape précédente). Placer le port 1 d une inductance idéale au port 3 du T. Au deuxième port de l inductance, placer une capacité en parallèle et la mettre à la masse. Placez un port 1 à l entrée de la ligne micro-ruban et un port 2 à sa sortie. Placer un port 3 à la sortie de l inductance. Optimisez les paramètres de la combinaison inductance-capacité pour minimiser S31 (maximiser S21) sur la bande 1.8 à 2.0 GHz. Sortir les courbes de S21 et S31. 2.b Ligne inductive : Reprendre le circuit de l étape 2.a Remplacer l inductance idéale par une inductance en spirale (MRINDWBR) Choisir une capacité idéale dans un premier temps et par la suite remplacer la par une capacité du fournisseur murata dont les valeurs figurent sur la liste des valeurs disponibles données en annexe. Optimisez les paramètres de la combinaison inductance-capacité pour minimiser S31 (maximiser S21) sur la bande 1.8 à 2.0 GHz. Sortir les courbes de S21 et S31 et générer le masque de votre circuit, uniquement celui avec la capacité du fournisseur murata. ELE-667 Hyperfréquences I / Expérience n o 4 5

6 2.c Ligne inductive : Attention, le circuit de la ligne inductive servira de circuit de polarisation pour le transistor. Une bande de fréquence sera allouée pour chaque équipe. Bande et 1.9 GHz Bande et 2.2 GHz Bande et 2.5 GHz Bande et 2.0 GHz Bande et 2.3 GHz Bande et 2.6 GHz Bande et 2.1 GHz Bande et 2.4 GHz Bande et 2.7 GHz Reprendre le circuit de l étape 2.a. Remplacer l inductance idéale par une ligne inductive (MLIN). Choisir une capacité idéale dans un premier temps et par la suite remplacer la par une capacité du fournisseur murata dont les valeurs figurent sur la liste des valeurs disponibles données en annexe. Optimisez les paramètres de la combinaison inductance-capacité pour minimiser S31 (maximiser S21) sur la bande qui vous est allouée. Sortir les courbes de S21 et S31 et générer le masque de votre circuit, uniquement celui avec la capacité du fournisseur murata. Partie II : conception d un amplificateur micro-onde A. Spécifications Concevoir un amplificateur ayant les spécifications suivantes: 1. Bande de fréquence d opération: celle qui vous sera allouée 2. Dispositif: FET NEC Gain au moins 9dB sur toute la bande d opération 4. Point de polarisation: Vds 3.0V, -0.5 Vgs (optimiser pour gain maximum). 5. Adaptation: 50 Ω à l entrée et à la sortie (mieux que 20 db à la fréquence centrale de la bande). 6. Stabilité: inconditionnellement stable sur toute la bande d opération. 7. Circuits d'adaptation: à base de stubs. 8. Alimentation: découpler le CC. ELE-667 Hyperfréquences I / Expérience n o 4 6

7 B. Étapes à suivre PHASE I: propriétés intrinsèques du transistor. 1- Construire un circuit de base avec: a) le transistor pf_nec_ne76038_ (dans Component Library, sous RF Transistor Library->Packaged GaAs FETs), b) un circuit de polarisation idéal a base d inductances (L:Inductor dans Lumped- Components) et des sources de tension (V_DC dans Sources Freq Domain), c) des capacités idéales de découplage du DC et de mise à la masse des inductances des circuits de polarisation (C:Capacitor dans Lumped-Components) d) insérer un bloc de simulation de paramètres S couvrant la bande allouée en pas de 0.05GHz (S P sous Simulation-S_param). e) insérer deux blocs pour calculer les cercles de stabilité à l entrée et à la sortie (SStbCir et LStbCir sous Simulation-S_param). f) insérer deux blocs pour calculer le facteur de stabilité et la mesure de stabilité (StabFact et StabMeas sous Simulation-S_param). 2- Étudier les paramètres S intrinsèques du transistor ainsi que l'effet du point de polarisation sur le gain et la stabilité du transistor. a) afficher les paramètres S11 et S22 sur l abaque de Smith, b) afficher les paramètres S12 et S21 en db sur un graphique rectangulaire. 3- S assurer que les valeurs des inductances et des capacités n affectent pas les paramètres S. PHASE II: conception de l'amplificateur. En utilisant le substrat défini par ε r = 6.15, h = 25 mils, t = 35 µm et TAND = 0.002: 1- Stabiliser le transistor à l'aide d'une résistance à la masse placée à l entrée. 2- Adapter le transistor à 50 Ω à l entrée et à la sortie, simultanément, en utilisant des stubs. Procéder par itération pour atteindre la convergence. 3- Concevoir des circuits de polarisation à base d une ligne λ/4 à forte impédance caractéristique et un condensateur en parallèle à son bout (Tenir compte du fait que la plus faible largeur de ligne qu on peut construire est de 10 mils). 4- Choisir les capacités parmi celles fournies dans la liste des capacités disponibles (dans Component Library, sous SMT Components Library sous le nom du fournisseur murata). 5- Optimiser la conception pour satisfaire au mieux les spécifications données. ELE-667 Hyperfréquences I / Expérience n o 4 7

8 6- Optimiser le routage des lignes pour minimiser la taille du circuit (i.e., serpenter et tourner les lignes en gardant la largeur constante et évitant les effets de couplage entre des lignes proches). PHASE III: génération et soumission du masque de l'amplificateur. 1. Générer le masque du circuit final. 2. Utiliser la procédure de la soumission des masques détaillés dans le document disponible sur le site web. Prévoir des ajustements sur les longueurs des stubs. Tableau des valeurs de résistances disponibles DALE CRCW 1206 R=10 DALE CRCW 1206 R=196 DALE CRCW 1206 R=12.1 DALE CRCW 1206 R=200 DALE CRCW 1210 R=12.4 DALE CRCW 1206 R=301 DALE CRCW 1206 R=15 DALE CRCW 1206 R=332 DALE CRCW 1206 R=18.2 DALE CRCW 1210 R=340 DALE CRCW 1206 R=36.5 DALE CRCW 1210 R=365 DALE CRCW 1206 R=39 DALE CRCW 1206 R=402 DALE CRCW 1206 R=51.1 DALE CRCW 1206 R=475 DALE CRCW 1210 R=59 DALE CRCW 1206 R=511 DALE CRCW 1206 R=60.4 DALE CRCW 1210 R=549 DALE CRCW 1206 R=80.6 DALE CRCW 1206 R=604 DALE CRCW 1206 R=82.5 DALE CRCW 1206 R=619 DALE CRCW 1206 R=100 DALE CRCW 1206 R=681 DALE CRCW 1206 R=130 DALE CRCW 1206 R=806 DALE CRCW 1206 R=133 DALE CRCW 1206 R=825 DALE CRCW 1206 R=178 DALE CRCW 1206 R=1000 DALE CRCW 1210 R=182 Le tableau des condensateurs disponibles se trouve sur le site : ELE-667 Hyperfréquences I / Expérience n o 4 8