Dans les systèmes de conception d'amplificateurs à transconductance (OTA), les enjeux de linéarité et de bruit sont cruciaux, particulièrement lorsqu'on cherche à optimiser les performances dans des environnements PVT (variations de température, tension et processus). L'injection active de signal à la grille arrière est une technique avancée permettant de linéariser la caractéristique de transconductance, tout en réduisant le bruit et en augmentant l'efficacité globale du circuit.

Les courants de bruit dans ces dispositifs, comme les courants de bruit i2Ni_{2N}, sont souvent modélisés avec des composants actifs qui modulent la grille arrière de manière à introduire des tensions de bruit v2Nv_{2N}, lesquelles sont ensuite amplifiées par le gain de transconductance ABA_B de la grille arrière. Ces bruits sont indépendants, ce qui permet d'ajouter leurs puissances respectives pour obtenir le courant total de bruit i2Ni_{2N}. L'analyse de ce bruit dans les amplificateurs est souvent simplifiée en supposant que la transconductance principale gmg_m est la seule variable de conception importante, bien que des modèles plus détaillés existent pour prendre en compte des effets comme la modulation de longueur de canal et la saturation de vitesse.

L'effet global de cette modulation est une réduction de la linéarité de l'amplificateur. Toutefois, grâce à l'injection active, le SNR (rapport signal sur bruit) peut être amélioré en augmentant l'amplitude du signal d'entrée. Ce phénomène est particulièrement visible lorsqu'on compare un amplificateur linéarisé à une configuration sans linéarisation. Par exemple, une entrée de 40 mV sans linéarisation peut être étendue à 160 mV dans une configuration linéarisée, ce qui quadruple la gamme linéaire de l'amplificateur, tout en augmentant modérément le bruit d'entrée référencé. Ainsi, une meilleure linéarité permet d'utiliser des signaux d'entrée plus forts, ce qui améliore la performance globale en termes de rapport signal sur bruit.

Pour implémenter une telle technique dans des environnements CMOS intégrés, où la résistance des résistances de charge peut varier de manière significative, il est essentiel de garantir que le gain ABA_B reste insensible aux variations PVT. L'utilisation de résistances de rétroaction pour définir le gain est une méthode courante, mais elle peut présenter des limitations, notamment en supprimant la dépendance de l'amplificateur à la tension d'entrée. Pour pallier ce problème, l'utilisation de charges résistives combinées à une dégénération de source permet de définir le gain de manière plus robuste face aux variations PVT. Cependant, cette méthode nécessite de gérer les compromis entre linéarité et efficacité.

Une autre approche consiste à utiliser une diode pour définir la charge et donc le gain. Bien que cette méthode offre une plus grande indépendance par rapport aux variations PVT, elle limite l'amplitude de la tension de sortie, ce qui peut être compensé par une plus grande pente de la courbe de transconductance de la grille arrière.

Les conceptions de modulateurs Delta-Sigma (Sigma-Delta) à temps continu (CT-SDM) bénéficient également de cette technique. Dans ces systèmes, où la bande passante dépasse fréquemment les 100 MHz et les formats de modulation de haute ordre, le filtre de boucle CT-SDM devient un facteur dominant dans la dissipation de puissance. En appliquant des amplificateurs à transconductance ouverts dans ces filtres, on obtient une excellente efficacité énergétique tout en minimisant les erreurs de quantification et les besoins en puissance.

Lorsqu'on intègre cette technique dans des architectures comme les ADCs Delta-Sigma ou d'autres circuits de réception sans fil, il est possible de garantir que l'amplification se fait de manière linéaire, même avec des signaux d'entrée à large bande et de haute fréquence. Les exigences de puissance et de précision sont donc mieux équilibrées, offrant ainsi une solution optimale pour des systèmes de communication modernes.

Pour optimiser encore plus les performances de ces systèmes, il est crucial de prendre en compte les différents compromis entre la linéarité, l'amplitude du signal et la tolérance aux variations de processus. Ces considérations permettent d'affiner le choix des composants et des topologies en fonction des exigences spécifiques de chaque application.

Comment l'utilisation des tensions de porte arrière peut optimiser les performances des oscillateurs et des amplificateurs à faible bruit

L'un des défis majeurs dans la conception de circuits à haute fréquence, tels que les oscillateurs contrôlés en tension (VCO) et les amplificateurs à faible bruit (LNA), est de gérer la non-linéarité et de minimiser le bruit de phase tout en maximisant l'efficacité énergétique et la plage de réglage. Un facteur clé pour atteindre ces objectifs réside dans la manipulation des tensions de porte arrière (back-gate voltage) dans les technologies CMOS à faible dimension. Cette méthode a été explorée dans diverses configurations de circuits pour optimiser la performance à des fréquences élevées, notamment dans les oscillateurs et les doubles de fréquence.

Dans le cas des générateurs à résistance négative couplés croisés, il a été démontré que la variation de la tension de la porte arrière améliore le bruit de phase du VCO. En appliquant une tension de porte arrière plus positive, le courant de densité dans le générateur de résistance négative augmente, ce qui déplace le centroid de charge loin de l'interface entre la porte supérieure et le canal. Cela conduit à une réduction significative du bruit de phase et améliore ainsi la stabilité du signal produit. Cette technique est particulièrement bénéfique lorsqu'un VCO est intégré dans un boucle à verrouillage de phase (PLL), où la stabilité et la linéarité du signal sont cruciales pour garantir des performances optimales à des fréquences de travail élevées.

L'illustration de la gamme de réglage mesurée, en fonction des tensions appliquées aux portes supérieures et arrière du varactor, montre que la caractéristique typique de réglage par rapport à la tension de la porte supérieure peut être déplacée et centrée à la tension de porte supérieure souhaitée, grâce à la tension de contrôle de la porte arrière. Ce procédé permet une plus grande flexibilité dans la conception des circuits de synchronisation de fréquence, en particulier pour des applications à haute fréquence où la marge de réglage est critique.

Dans un autre exemple de conception, l'utilisation de différentes tensions de porte arrière dans un doubleur de fréquence 22-nm FDSOI a permis d'optimiser la performance du circuit de 80 GHz à 160 GHz. Ici, la tension de la porte arrière du bas (Vbn,bot) est réglée pour une opération en classe AB, maximisant ainsi la puissance de sortie et l'efficacité ajoutée de la puissance (PAE) au deuxième harmonique. D'un autre côté, la tension de la porte arrière du haut (Vbn,top) est ajustée pour garantir un gain linéaire maximal à 160 GHz. Cela permet d'obtenir une source de signal à double pente avec des caractéristiques de réglage de fréquence qui peuvent être finement ajustées pour des fréquences de fonctionnement très élevées, comme celles utilisées dans des PLLs à faible bruit et à fréquence de référence élevée.

Les cascodes, utilisés dans des amplificateurs à faible bruit, présentent également une opportunité d'optimisation en utilisant les tensions de porte arrière. Les amplificateurs cascodes sont souvent dominés par des non-linéarités dues aux caractéristiques de capacité de grille-source (Cgs) et de transconductance (gm) des MOSFET. Ces non-linéarités peuvent être réduites en biaisant les transistors à des densités de courant élevées, ce qui améliore la linéarité globale. Dans les circuits cascodes utilisant la technologie FDSOI, les tensions de porte arrière permettent de contrôler indépendamment la densité de courant et d'ajuster les paramètres du transistor sans affecter la charge sur le chemin du signal, ce qui est impossible dans les technologies MOSFET classiques. Ainsi, la flexibilité offerte par la tension de porte arrière permet une meilleure gestion du compromis entre gain, bruit et linéarité.

Il est important de souligner que la technologie FDSOI offre une flexibilité sans précédent dans la conception de circuits à haute fréquence, en permettant des ajustements fins des caractéristiques de courant et de tension qui influencent directement les performances du circuit. Cette capacité est particulièrement utile dans la conception de circuits intégrés pour des applications de communication sans fil de haute performance, où la gestion du bruit et de la consommation d'énergie est cruciale.

Enfin, dans les amplificateurs à faible bruit (LNA), un ajustement minutieux des tensions de porte arrière permet de maximiser l'oscillation linéaire de l'amplificateur tout en maintenant une faible figure de bruit (NFmin) et un bon gain sur une large gamme de fréquences. Ce type de design est essentiel pour des applications telles que les récepteurs à haute fréquence, où la distorsion du signal et le bruit doivent être minimisés tout en assurant une réponse en fréquence stable et optimale.

En conclusion, l'intégration de la gestion des tensions de porte arrière dans la conception de circuits à haute fréquence représente une avancée significative pour améliorer la stabilité, l'efficacité énergétique et la qualité des signaux. La compréhension de cette approche est essentielle pour les ingénieurs travaillant sur des circuits intégrés pour des applications RF et à micro-ondes, où la minimisation du bruit et l'optimisation des performances sont des impératifs.

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