Contrôle de Gain Variable avec Polarisation de Bulk dans les Amplificateurs à Micro-ondes Millimétriques

L'utilisation du contrôle de bulk dans les amplificateurs à source commune (CS) présente plusieurs avantages techniques, en particulier pour les applications nécessitant une gestion précise et rapide du gain. Dans la technologie FDSOI de 22 nm, le point de fonctionnement d'un dispositif actif dans une configuration CS peut être ajusté passivement à l'aide du contrôle de bulk, sans perturber le chemin de polarisation du port actif, ce qui permet de moduler le transconductance du dispositif, et par conséquent, le gain de l'amplificateur. L'expression de la sensibilité du gain par rapport à la tension de back-gate $V_{bg}$ peut être formulée comme suit :

où $V_{gs}$ est la tension entre la grille et la source, $V_{th,0}$ est la tension de seuil intrinsèque à $V_{bg} = 0$, et $Z_{load}$ est l'impédance de charge vue au niveau du drain du dispositif CS. Ce contrôle par back-gate présente l'avantage de rendre la sensibilité du gain 12,5 fois plus élevée que celle du contrôle direct par grille, ce qui rend l'amplificateur plus résilient aux interférences et au bruit. De plus, ce contrôle est complètement isolé du chemin du signal, ce qui garantit une meilleure performance dans des environnements bruyants.

Prenons l'exemple d'un amplificateur faible bruit (LNA) à quatre étages utilisant le contrôle de back-gate dans la bande D, autour de 150 GHz. La conception vise à permettre le contrôle du gain tout en minimisant l'impact sur la dégradation du facteur de bruit (NF) et le point de compression de 1 dB (P1dB). Le contrôle de gain est appliqué aux deuxième et troisième étages, ce qui permet d'obtenir un gain mesuré entre 9 et 18 dB tout en réduisant la dégradation du NF en dessous de 1,5 dB et la dégradation de $P1dB$ en dessous de 1 dB. Cette configuration permet également d'améliorer le rapport signal-sur-bruit et distorsion (SNDR) en réduisant le gain pour éviter la saturation à des puissances d'entrée élevées. Un modèle de budget de liaison simulé d'un récepteur IQ de bande D, incluant les données mesurées de l'LNA avec contrôle de gain variable, montre que la réduction du gain dans l'LNA améliore considérablement le SNDR en augmentant la compression d'entrée inversement au gain.

L'impact de la dégradation du facteur de bruit est directement lié à l'augmentation du gain du premier étage. Ainsi, pour éviter une telle dégradation, il est recommandé de maintenir le gain du premier étage fixe, tout en appliquant le contrôle de gain aux étages ultérieurs. L'application d'un contrôle de gain uniquement aux deuxième et troisième étages permet un compromis : bien que la gamme de contrôle du gain soit réduite, la stabilité du premier étage est assurée, ce qui améliore les performances globales.

La conception du contrôle de gain repose sur des ajustements fins des éléments passifs comme les lignes de transmission, qui peuvent être modifiées de manière subtile pour ajuster le gain de manière étagée. Cette technique permet d'élargir la bande passante effective de l'amplificateur, tout en préservant les caractéristiques de gain et de bruit. Ainsi, l'application de tension de contrôle sur le back-gate dans les étages 2 et 3 permet de réaliser un contrôle de gain précis et rapide, essentiel pour les applications à haute fréquence comme celles des bandes D et au-delà.

Le contrôle du gain est également facilité par des dispositifs à polarisation de bulk dans la technologie FDSOI de 22 nm, qui permet une polarisation active des dispositifs à puits retournés, tout en maintenant l'isolement complet entre le canal et le bulk. Cette configuration est particulièrement utile dans les applications à hautes fréquences où la gestion précise de la polarisation des dispositifs est cruciale pour assurer une performance optimale. L'optimisation de la polarisation de ces dispositifs améliore non seulement les performances en termes de gain, mais permet également de réduire l'impact de la non-linéarité et de la distorsion, en maintenant des points d'interception d'ordre supérieur constants.

Comment la variation du biais arrière influence les amplificateurs à faible bruit à gain variable dans la bande D ?

L'utilisation du biais arrière dans les amplificateurs à faible bruit (LNA) permet de moduler les caractéristiques de gain de manière significative, ce qui est particulièrement utile dans les applications de communications millimétriques et de haute fréquence. L'un des aspects les plus intéressants de cette approche réside dans la relation entre le seuil de tension de seuil (Vth) et le gain d'un amplificateur. Une sensibilité d'environ 80 mV par volt de variation de tension de porte arrière (Vbg) permet d'ajuster précisément ce paramètre, offrant ainsi une méthode flexible pour contrôler le gain.

Lorsqu'un amplificateur est conçu avec un point de fonctionnement fixe, l'influence du Vth peut être exploitée pour réguler à la fois la transconductance (gm) et donc le gain de l'amplificateur. Par exemple, dans la simulation illustrée à la figure 10.6, le gain d'une étape unique appariée est simulé en fonction de la tension de polarisation directe pour différentes tensions de porte arrière. Pour certaines étapes du dispositif, un certain biais est choisi pour garantir un gain constant, tandis que pour d'autres, il est ajusté pour permettre une gamme de contrôle de gain allant jusqu'à 5 dB.

Une des applications clés de cette méthode est la possibilité d'obtenir un contrôle du gain sur une plage étendue tout en maintenant une stabilité du fonctionnement. Par exemple, dans le prototype décrit, les tensions de polarisation sont appliquées hors puce pour garantir une robustesse face aux variations du processus, de la tension et de la température (PVT). Dans des systèmes plus complexes, ces tensions peuvent être générées par un miroir de courant, ce qui permet d'améliorer la stabilité du dispositif sur une large plage de conditions environnementales.

Le contrôle du gain dans les amplificateurs à bande D peut également être caractérisé par des paramètres tels que le facteur de bruit (NF) et le point de compression en entrée (P1dB). Les résultats de mesures montrent que le gain de crête peut être ajusté entre 9 et 18 dB sans réduire la bande passante de 3 dB, qui reste proche de 11 GHz. Par ailleurs, la non-linéarité, mesurée par le P1dB, reste stable malgré les variations du gain, ce qui prouve que l'amplificateur conserve une faible dépendance à la non-linéarité même lors du contrôle du gain.

Il est également crucial de considérer l'impact sur la consommation d'énergie. Comme le montrent les résultats de simulation, la consommation d'énergie varie en fonction du gain, avec une réduction significative (jusqu'à 36 %) lorsque le gain est diminué. Cette caractéristique est particulièrement intéressante pour l'optimisation de la consommation dans des applications où les ressources énergétiques sont limitées, telles que les systèmes de communication sans fil ou les dispositifs mobiles.

Un aspect souvent négligé mais essentiel est la gestion de l'interface entre les différentes étapes du LNA. Le choix des composants et de la topologie du circuit a un effet direct sur la performance globale de l'amplificateur, en particulier en ce qui concerne la gestion des non-linéarités et la stabilité thermique. Il est également important de noter que la réduction de la consommation d'énergie, bien qu'utile pour les applications à faible consommation, peut également avoir un impact sur la dynamique du système et nécessiter des compromis en termes de performance.

En résumé, l'utilisation de la technique de polarisation arrière pour ajuster le gain dans les amplificateurs à faible bruit de la bande D présente des avantages notables en termes de flexibilité, de contrôle et de réduction de la non-linéarité. Toutefois, la gestion de la consommation d'énergie et l'optimisation du facteur de bruit restent des défis importants à surmonter pour maximiser les performances des dispositifs dans des scénarios réels.