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Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE4501 1 Circuits et Systèmes de Communication Micro-ondes Chap.4: Composants actifs.

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1 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Circuits et Systèmes de Communication Micro-ondes Chap.4: Composants actifs hyperfréquences Halim Boutayeb Phone: (514) ex

2 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Plan I.Introduction II.Diode Schottky III.Diode Varactor IV.Diode PIN V.Transistor Bipolaire VI.Transistor a effet de champs (TEC)

3 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE I. Introduction Deux types dapplications des éléments actifs hyperfréquences : Deux types dapplications des éléments actifs hyperfréquences : - Traitement du signal (commutation, modulation, conversion de fréquence, detection): Diodes pin, Schottky, varactor. Selon lapplication, 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.

4 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE I. Introduction La conception dun dispositif hyperfréquences fait appel aux connaissances suivantes: La conception dun dispositif hyperfréquences fait appel aux connaissances suivantes: - Le modèle (schéma équivalent linéaire ou non-linéaire/ paramètres S) dun composant actif - Prise en compte des limitations dans le fonctionnement du composant actif. - Comportement du composant actif en fonction de la température.

5 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE I. Introduction Rappels: les semiconducteurs Rappels: les semiconducteurs Les semiconducteurs sont des matériaux présentant une conductivité electrique intermédiaire entre les métaux et les isolants. Les états des électrons dun matériau remplissent les niveaux dénergies de manière croissante. Dans le métal le niveau maximum dénergie atteint à 0 K se trouve dans la bande de conduction. Dans un semi-conducteur ce niveau est dans une bande interdite mais lapplication dune énergie suffisante permet aux électrons de se déplacer vers la bande de conduction.

6 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE I. Introduction Rappels: les semiconducteurs 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 délectrons) dans le semi-conducteur. - Jonction PN: Jonction PN polarisée en direct Jonction PN polarisée en inverse

7 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Plan I.Introduction II.Diode Schottky III.Diode Varactor IV.Diode PIN V.Transistor Bipolaire VI.Transistor a effet de champs (TEC)

8 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE II. Diode Schottky Caractéristiques courant-tension dune diode Caractéristiques courant-tension dune diode

9 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 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. Principe de la diode Schottky Principe de la diode Schottky II. Diode Schottky Avantages : 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. - 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. Applications: mélangeurs et détecteurs

10 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE supprimé par filtrage RF in RF out DC Principe dun détecteur à diode II. Diode Schottky

11 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE II. Diode Schottky Profils des bandes dénergie pour la diode Schottky Métal Semiconducteur type N Profil des bandes dénergie lorsque le métal est en contact avec le semiconducteur. Une barrière de potentiel empêche les électrons ou les trous de se déplacer du métal vers le semi- 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 ny a pas de recombinaisons de trous et donc la vitesse de commutation est plus grande que pour la diode PN.

12 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Built in potential Potentiel à travers le semi-conducteur II. Diode Schottky

13 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Polarization direct Polarization inverse II. Diode Schottky

14 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Caracteristiques II. Diode Schottky

15 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE II. Diode Schottky

16 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE I(V) g(V) C(V) Circuit équivalent (modèle statique) Equation de la diode V Arséniure de gallium II. Diode Schottky

17 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Cut-off 100 GHz II. Diode Schottky Agilent HSCH 9161

18 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Plan I.Introduction II.Diode Schottky III.Diode Varactor IV.Diode PIN V.Transistor Bipolaire VI.Transistor a effet de champs (TEC)

19 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE III. Diode Varactor Varactor = Variable Reactor Varactor = Variable Reactor Appelée aussi varicap. Cest une diode formée dune jonction PN. Applications : Applications : -VCO (Oscillateurs commendes en tension) - Amplificateurs - multiplicateurs de fréquence - déphaseurs Deux profils de dopages : Deux profils de dopages : -Abrupte -Hyper-abrupte

20 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 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. III. Diode Varactor

21 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Hyperabrupte: n entre 0.5 et 2. Profil de densités des porteurs donneurs. Profil de densités des porteurs donneurs. III. Diode Varactor

22 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Variation de la capacite III. Diode Varactor

23 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Si n = 2 la fréquence de résonance est une fonction linéaire de V La diode varactor hyper-abrupte permet davoir une fréquence variant linéairement avec la tension La diode varactor hyper-abrupte permet davoir une fréquence variant linéairement avec la tension III. Diode Varactor

24 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Modèle équivalent III. Diode Varactor

25 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Exemples dapplications Exemples dapplications VCO Déphaseur Multiplicateur de fréquences III. Diode Varactor

26 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Plan I.Introduction II.Diode Schottky III.Diode Varactor IV.Diode PIN V.Transistor Bipolaire VI.Transistor a effet de champs (TEC)

27 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Diode PIN Région intrinsèque (non dopée)

28 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 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. IV. Diode PIN

29 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Modèle équivalent IV. Diode PIN

30 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Diode PIN

31 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 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

32 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Atténuateurs à diodes PIN : contrôle automatique du gain. IV. Diode PIN

33 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Plan I.Introduction II.Diode Schottky III.Diode Varactor IV.Diode PIN V.Transistor Bipolaire VI.Transistor a effet de champs (TEC)

34 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Transistor bipolaire Les transistors bipolaires N.P.N. (négatif-positif-négatif) laissent circuler un courant de la base (+) vers lémetteur (-). 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 complémentaires par les fabricants pour les applications le nécessitant. On injecte un courant dans lespace base/émetteur afin de créer un courant multiplié par le gain du transistor entre lémetteur et le collecteur. lémetteur et le collecteur. Cest un amplificateur de courant

35 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE 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 dêtre plus utilise que les transistors à effet de champs IV. Transistor bipolaire

36 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Montage base commune I C I E pour V CB compris entre 0 et la tension de claquage de la jonction collecteur base IV. Transistor bipolaire

37 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Montage emmetteur commun IV. Transistor bipolaire

38 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Transistor bipolaire

39 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Transistor bipolaire

40 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Transistor bipolaire

41 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Transistor bipolaire

42 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Transistor bipolaire

43 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Transistor bipolaire

44 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Transistor bipolaire

45 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Transistor bipolaire

46 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE Plan I.Introduction II.Diode Schottky III.Diode Varactor IV.Diode PIN V.Transistor Bipolaire VI.Transistor à effet de champs (TEC)

47 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Transistor à effet de champ La grille (gate en anglais) est lorgane 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.

48 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Transistor à effet de champ

49 Janvier 2007 Circuits et systèmes de communications micro-ondes – ELE IV. Transistor à effet de champ Applications et avantages : -Peut fonctionner jusquà 60 GHz -Bruit faible. -Meilleures caractéristiques de distorsion et peut délivrer plus de puissance que les transistor bipolaires


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