Janvier 2007 Circuits et systèmes de

Circuits et Systèmes de Communication Micro-ondes
Chap.4: Composants actifs hyperfréquences
Halim Boutayeb
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ex. 3066
[email protected]
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Plan
I.
Introduction
II.
Diode Schottky
III. Diode Varactor
IV. Diode PIN
V.
Transistor Bipolaire
VI. Transistor a effet de champs (TEC)
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I. Introduction
 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.
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I. Introduction
 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.
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I. Introduction
 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.
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I. Introduction
 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
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Jonction PN
polarisée en
inverse
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Plan
I.
Introduction
II.
Diode Schottky
III. Diode Varactor
IV. Diode PIN
V.
Transistor Bipolaire
VI. Transistor a effet de champs (TEC)
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II. Diode Schottky
 Caractéristiques courant-tension d’une diode
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II. Diode Schottky
 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.
 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 mA)
dans la gamme de 0.15V à 0.45 V.
- Grande vitesse de commutation.
 Applications: mélangeurs et détecteurs
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II. Diode Schottky
 Principe d’un détecteur à diode
I  I o (eV / V  1)
o
V  V1 cos t
2
V



V
2
1
1
I  I o  cost  (1 / 2)  cos t  ...
 Vo 
Vo

2
I
2
I o  V1 
I V 
V
   I o 1 cost  o  1  cos 2t
4  Vo 
Vo
4  Vo 
RF out
supprimé
par filtrage
DC
RF in
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II. Diode Schottky
 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.
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II. Diode Schottky
Built in potential
Potentiel à travers le
semi-conducteur
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II. Diode Schottky
Polarization direct
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Polarization inverse
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II. Diode Schottky
Caracteristiques
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II. Diode Schottky
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II. Diode Schottky
Equation de la diode
Arséniure de
gallium
Circuit équivalent (modèle statique)
I(V)
V
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C(V)
g(V)
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II. Diode Schottky
Agilent HSCH 9161
Cut-off ≈ 100 GHz
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Plan
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Introduction
II.
Diode Schottky
III. Diode Varactor
IV. Diode PIN
V.
Transistor Bipolaire
VI. Transistor a effet de champs (TEC)
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III. Diode Varactor
 Varactor = Variable Reactor
Appelée aussi varicap. C’est une diode formée d’une jonction PN.
 Applications :
-VCO (Oscillateurs commendes en tension)
- Amplificateurs
- multiplicateurs de fréquence
- déphaseurs
 Deux profils de dopages :
-Abrupte
-Hyper-abrupte
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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.
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III. Diode Varactor
 Profil de densités
des porteurs donneurs.
Hyperabrupte: n entre 0.5 et 2.
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III. Diode Varactor
Variation de la capacite
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III. Diode Varactor
 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
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III. Diode Varactor
Modèle équivalent
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III. Diode Varactor
 Exemples d’applications
VCO
Déphaseur
Multiplicateur de fréquences
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Plan
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Introduction
II.
Diode Schottky
III. Diode Varactor
IV. Diode PIN
V.
Transistor Bipolaire
VI. Transistor a effet de champs (TEC)
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IV. Diode PIN
Région intrinsèque
(non dopée)
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IV. Diode PIN
Applications :
Les diodes PIN sont utilisées pour le contrôle du niveau et de la phase
des signaux hyperfréquences.
Avantages :
- Elles peuvent supporter des puissances très élevées et consomment peu
de puissance de contrôle.
- Elles peuvent être commutée rapidement.
- Elles sont très fiables.
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IV. Diode PIN
Modèle équivalent
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IV. Diode PIN
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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
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IV. Diode PIN
Atténuateurs à diodes PIN : contrôle automatique du gain.
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Introduction
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Diode Schottky
III. Diode Varactor
IV. Diode PIN
V.
Transistor Bipolaire
VI. Transistor a effet de champs (TEC)
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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.
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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
de communications
micro-ondes
ELE4501
complémentaires
par et
lessystèmes
fabricants
pour les applications
le–nécessitant.
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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
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IV. Transistor bipolaire
Montage base commune
IC  IE pour VCB compris entre 0 et la tension de claquage de la jonction collecteur base
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IV. Transistor bipolaire
Montage emmetteur commun
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IV. Transistor bipolaire
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IV. Transistor bipolaire
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IV. Transistor bipolaire
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IV. Transistor bipolaire
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IV. Transistor bipolaire
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IV. Transistor bipolaire
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IV. Transistor bipolaire
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IV. Transistor bipolaire
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Plan
I.
Introduction
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Diode Schottky
III. Diode Varactor
IV. Diode PIN
V.
Transistor Bipolaire
VI. Transistor à effet de champs (TEC)
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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.
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IV. Transistor à effet de champ
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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
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