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Ce document traîte de la modélisation de transistors de puissance microondes TBH InGaP/AsGa et HEMTs AlGaN/GaN pour des applications en bande X. Les HEMTs AlGaN/GaN ont été commercialisés récemment et il y a par conséquent un besoin de modèles précis permettant de décrire leurs caractéristiques électriques, afin de concevoir des amplificateurs. Le modèle proposé inclut une description dynamique des effets des pièges sur les caractéristiques électriques et des phénomènes thermiques, permettant d’augmenter la précision des modèles classiques ainsi que leur domaine de validité.
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L’objectif de cette étude est d’évaluer les potentialités des transistors HEMTs AlGaN/GaN pour l’amplification de puissance aux fréquences micro-ondes, à l’aide d’un banc de mesures I(V) et paramètres [S] en régime impulsionnel, et de proposer un modèle précis de ce type de transistors facilement implémentable dans les logiciels de C.A.O. des circuits. Après un passage en revue des différentes technologies disponibles sur le marché pour l’amplification de puissance, les transistors HEMTs grand gap à base de Nitrures de Gallium apparaissent comme des candidats naturels pour ces applications (Figures de mérites de Johnson, ...). Cependant, ces transistors plus que prometteurs ne sont pas exempts de défauts. En effet, plusieurs phénomènes limitatifs inhérents à la technologie GaN, à savoir l’auto-échauffement et les effets des pièges, doivent être pris en compte lors de la conception des circuits micro-ondes. Une étude de ces différents effets limitatifs en terme de puissance est effectuée. Enfin, un modèle non-linéaire électrothermique d’un transistor HEMT 8x125 μm est présenté, et validé à l’aide de deux banc de mesures fonctionnelles (banc Load-Pull et banc LSNA).
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Les travaux présentés dans ce mémoire sont une contribution à la conception d'amplificateurs micro-ondes de puissance. Nous présentons dans une première partie les différentes caractéristiques (grandeurs électriques, classes de fonctionnement,...) de l'amplification de puissance dans le domaine des hyperfréquences ainsi que le large spectre de transistors disponibles actuellement pour des applications de puissance. Le deuxième chapitre traite des techniques de caractérisation du fonctionnement non-linéaire des transistors de puissance. A côté de l'équilibrage harmonique ou de la caractérisation load-pull, nous proposons l'utilisation des paramètres S large signal comme méthode alternative. Ces paramètres S large signal sont une extension dans le domaine non-linéaire de la notion de paramètres S petit signal et nous permettent d'approcher la solution optimale dans le cas d'applications faiblement non-linéaires. Dans une troisième partie, nous proposons une extension de la méthode des fréquences réelles, introduite à l'origine par Yarman et Carlin, à la conception d'amplificateurs de puissance. Ainsi, nous décrivons une démarche itérative de conception d'amplificateurs multi-étages qui, dans un premier temps, optimise les performances de l'étage de puissance avant de concevoir les étages situés en amont en progressant vers le générateur. Nous avons vérifié la validité de cette démarche par la réalisation de deux amplificateurs de puissance en bande S. Un premier module a été construit autour d'un MESFET de puissance afin d'optimiser la puissance ajoutée. Un deuxième montage, basé sur trois transistors, a pour objectif d'optimiser à la fois la puissance ajoutée de l'étage de puissance et le gain linéaire des deux premiers étages.
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LE TRAVAIL PRESENTE DANS CE MEMOIRE CONCERNE LA MODELISATION NON LINEAIRE DES TRANSISTORS MICROONDES, APPLIQUEE A LA CONCEPTION D'AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE EN TECHNOLOGIE MMIC DANS LE DOMAINE DES HYPERFREQUENCES. APRES UN RAPIDE TOUR D'HORIZON DES TRANSISTORS DE PUISSANCE UTILISABLES AUX FREQUENCES MICROONDES, NOUS PRESENTONS UN EQUIPEMENT DE TEST, BASE SUR LA TECHNIQUE DE MESURES EN IMPULSIONS. CETTE METHODE DE CARACTERISATION PERMET D'OBTENIR AVEC PRECISION LES EVOLUTIONS NON LINEAIRES DES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DES TRANSISTORS MICROONDES. ENSUITE, LA MODELISATION NON LINEAIRE DES TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP ET DES TRANSISTORS BIPOLAIRES A HETEROJONCTION EST TRAITEE D'UNE MANIERE DETAILLEE DANS CE MEMOIRE. NOUS TROUVERONS ENTRE AUTRES, UNE ETUDE DES NON LINEARITES DES TRANSISTORS EN FONCTION DES COMMANDES APPLIQUEES, AINSI QUE DIFFERENTES METHODES POUR LA RECHERCHE ET L'OBTENTION DES PARAMETRES D'UN MODELE, APPLIQUEES A CHAQUE TYPE DE TRANSISTOR. LES DIFFERENTES ETAPES DE CONCEPTION D'UN AMPLIFICATEUR DISTRIBUE LARGE BANDE A TBH SONT PRESENTEES. CET AMPLIFICATEUR A ETE OPTIMISE EN PUISSANCE DANS LA BANDE DE FREQUENCE 2-8 GHZ, A PARTIR DES MODELES NON LINEAIRES MIS AU POINT DANS CE MEMOIRE, ET A FOURNI UNE PUISSANCE DE SORTIE DE 27.5 DBM
Author: Tony Gasseling Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 229
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Le travail présenté dans ce mémoire propose une contribution à la conception optimisée d'amplificateurs de puissance par l'utilisation de plusieurs caractérisations fonctionnelles. Celles ci sont réalisées aux premiers stades de la conception, au niveau du transistor en environnement source et load pull. Il est ainsi montré qu'un banc load pull fonctionnant en mode pulsé permet de participer à la validation des technologies utilisées pour la génération de fortes puissances aux fréquences microondes (Bande S). Cette étape permet également de valider fortement les modèles non linéaires électrothermiques des transistors développés à cet effet. Dans le domaine millimétrique, l'amplification de puissance sous contrainte de rendement et de linéarité est à l'heure actuelle un des points critiques du fait des faibles réserves de gain proposées. Dans ce contexte, le développement d'un banc source et load pull actif fonctionnant en bande K et permettant de déterminer les conditions optimales de polarisation et d'adaptation pour l'obtention du meilleur compromis rendement/linéarité se révèle être de première importance pour la conception optimisée d'amplificateur. Enfin, une nouvelle technique de caractérisation dédiée à l'extraction des quatre paramètres S à chaud en environnement load pull est proposée. Une application de cette nouvelle caractérisation a ainsi permis de prédire les oscillations paramétriques hors bande pouvant apparaître en fonction des conditions opératoires lorsque le transistor fonctionne en régime fort signal
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L'OBJECTIF DE CETTE ETUDE EST D'EVALUER LES POTENTIALITES DU TRANSISTOR BIPOLAIRE A HETEROJONCTION (TBH) POUR L'AMPLIFICATION DE PUISSANCE A HAUT RENDEMENT INDISPENSABLE POUR LES SYSTEMES DE RADIOCOMMUNICATIONS MOBILES. APRES LA DESCRIPTION DES MOYENS DE CARACTERISATIONS DE TRANSISTORS DE PUISSANCE DISPONIBLES AU SEIN DU LABORATOIRE, LES DEVELOPPEMENTS DE METHODOLOGIES ET D'OUTILS DE SIMULATION ET D'OPTIMISATION ET DES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE SONT PRESENTES. LES POTENTIALITES DU TBH POUR L'AMPLIFICATION DE PUISSANCE A HAUT RENDEMENT A 1.8 GHZ SONT EVALUEES PAR L'UTILISATION INTENSIVE DES OUTILS D'OPTIMISATION DEVELOPPES. UN MODE DE FONCTIONNEMENT OPTIMAL EN RENDEMENT SPECIFIQUE AU TBH EST DEMONTRE. ENSUITE, LES PERFORMANCES THEORIQUES EN TERMES DE PUISSANCE, DE RENDEMENT ET DE LINEARITE D'UN TRANSISTOR BIPOLAIRE A HETEROJONCTION ET D'UN TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP DE DIMENSIONS SIMILAIRES SONT COMPARES. DES VALIDATIONS EXPERIMENTALES POUR UN FONCTIONNEMENT EN MONOPORTEUSE ET EN BIPORTEUSE SONT PRESENTEES. DEUS CONCEPTIONS D'AMPLIFICATEURS A BASE DE TBH EN BANDE L ET S RESPECTIVEMENT EN TECHNOLOGIE HYBRIDE ET MMIC SONT DECRITES DANS CE MEMOIRE. LES MESURES EFFECTUEES SUR L'AMPLIFICATEUR EN TECHNOLOGIE HYBRIDE CONFIRMENT LES POTENTIALITES DU TBH DANS LE DOMAINE DES RADIOCOMMUNICATIONS. EN EFFET, UN RENDEMENT EN PUISSANCE AJOUTEE DE 77% A ETE MESURE POUR UNE FAIBLE POLARISATION DE SORTEI (3,3 V)
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LES VARIATIONS DES ELEMENTS DU MODELE ELECTRIQUE EQUIVALENT EN FONCTION DE LA PUISSANCE LUMINEUSE SONT PRESENTEES, ELLES MONTRENT QUE SEUL UN PETIT NOMBRE D'ENTRE EUX SUBISSENT UNE VARIATION SIGNIFICATIVE. LA POSSIBILITE DE COMMANDE DE LA FREQUENCE D'UN OSCILLATEUR PAR UN FLUX LUMINEUX EST MONTREE THEORIQUEMENT ET VERIFIEE EXPERIMENTALEMENT. L'ETUDE ET LA REALISATION DE DEUX AMPLIFICATEURS A BANDE ETROITE PERMETTENT DE METTRE EN EVIDENCE LA COMMANDE DU GAIN PAR LA LUMIERE AVEC UNE DYNAMIQUE POUVANT ATTEINDRE 20 DB
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CE MEMOIRE DE THESE TRAITE DE LA FIABILITE DES CIRCUITS INTEGRES MONOLITHIQUES EN ARSENIURE DE GALLIUM POUR L'AMPLIFICATION DE PUISSANCE MICRO-ONDES A BORD DES SATELLITES DE TELECOMMUNICATIONS ET D'OBSERVATION. L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL EST DE DETERMINER DES REGLES DE REDUCTION DES CONTRAINTES (EN TERMES DE TEMPERATURE, COURANT, TENSION, PUISSANCE) APPLIQUEES AUX CIRCUITS MICRO-ONDES. LA PREMIERE PARTIE ENONCE LES NOTIONS FONDAMENTALES DE LA FIABILITE DES COMPOSANTS EN ARSENIURE DE GALLIUM SUIVIS D'UNE SYNTHESE DES PRINCIPAUX MECANISMES DE DEFAILLANCES DES TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP EN ARSENIURE DE GALLIUM. LE SECOND CHAPITRE PROPOSE UNE METHODOLOGIE PERMETTANT L'EVALUATION DE LA FIABILITE DES CIRCUITS INTEGRES A SEMI CONDUCTEUR BASEE SUR LA DEFINITION DES VEHICULES DE TEST ET SUR LA MISE EN UVRE D'ESSAIS DE FIABILITE APPROPRIES. A PARTIR DES RESULTATS OBTENUS LORS DES ESSAIS DE STOCKAGE A HAUTE TEMPERATURE ET DE VIEILLISSEMENT SOUS CONTRAINTES ELECTRIQUES STATIQUES, LA FIABILITE DE LA TECHNOLOGIE EST EVALUEE. CETTE PARTIE FAIT L'OBJET DU TROISIEME CHAPITRE. NOUS VALIDONS DANS LE QUATRIEME CHAPITRE L'APPLICATION CONSIDEREE (L'AMPLIFICATION DE PUISSANCE EN BANDE X) AU TRAVERS D'ESSAIS DE VIEILLISSEMENT SOUS CONTRAINTES ELECTRIQUES DYNAMIQUES. LE MECANISME DE DEGRADATION ACTIVE LORS DU FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR EN AMPLIFICATION DE PUISSANCE EST DU A LA MULTIPLICATION DES PORTEURS PAR IONISATION PAR IMPACT. A PARTIR DE CETTE ANALYSE, UNE METHODOLOGIE ALLIANT LA SIMULATION ELECTRIQUE NON-LINEAIRE AVEC DES ESSAIS DE VIEILLISSEMENT ACCELERE DE COURTE DUREE EST DEGAGEE. CETTE METHODOLOGIE PERMET D'EVALUER LA FIABILITE DES TRANSISTORS DE PUISSANCE EN ARSENIURE DE GALLIUM DES LE STADE DE LA CONCEPTION DES EQUIPEMENTS
Author: Marc Zoyo Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 233
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L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL A ETE DE DETERMINER UNE METHODOLOGIE DE CONCEPTION ORIGINALE ET SYSTEMATIQUE D'AMPLIFICATEURS HYPERFREQUENCES DE PUISSANCE A TRES HAUT RENDEMENT, EN TECHNOLOGIE HYBRIDE ET CE POUR DES APPLICATIONS SPATIALES. LA PREMIERE PARTIE CONSTITUE UNE INTRODUCTION DETAILLANT LES DIVERS PHENOMENES RELATIFS A L'AMPLIFICATION DE PUISSANCE DANS LE DOMAINE DES HYPERFREQUENCES. UN EXEMPLE PARTICULIER DU FONCTIONNEMENT A FORT RENDEMENT, APPELE LA CLASSE F, EST EXPLICITE. LA DEUXIEME PARTIE TRAITE DE LA CARACTERISATION ET DE LA MODELISATION DE DIFFERENTS TYPES DE TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP DE PUISSANCE. IL EST AINSI PROPOSE UNE NOUVELLE APPROCHE DE LA CARACTERISATION, BASEE SUR DES TRANSFORMATIONS LARGE BANDE D'IMPEDANCES, AFIN D'EXTRAIRE DES MODELES ELECTRIQUES EQUIVALENTS EN REGIMES LINEAIRE ET NON-LINEAIRE. LA TROISIEME PARTIE CONCERNE LA CONCEPTION ET LA REALISATION D'AMPLIFICATEURS HYBRIDES DE PUISSANCE A FORT RENDEMENT FONCTIONNANT EN BANDE X (8,2GHZ) ET CONSTITUES DE TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP A HETEROSTRUCTURE (HFET). DES CORRELATIONS ENTRE LES RESULTATS EXPERIMENTAUX ET CEUX PREDITS PAR LES SIMULATIONS ONT PERMIS DE MONTRER UNE BONNE ADEQUATION. L'INFLUENCE DES CHARGES PRESENTEES AUX DEUX PREMIERS HARMONIQUES DU SIGNAL APPLIQUE SUR LE COMPORTEMENT DU HFET DE PUISSANCE EST ETUDIEE ET DISCUTEE. DANS LA DERNIERE PARTIE, LA PROCEDURE DE CONCEPTION DE CE TYPE D'AMPLIFICATEUR EST VALIDEE A L'AIDE DE DIVERSES APPLICATIONS TELS QUE DES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE FONCTIONNANT EN BANDE X OU EN BANDE S, A BASE DE TRANSISTORS PSEUDOMORPHIQUES A HAUTE MOBILITE ELECTRONIQUE (PHEMT)
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Ce travail de thèse a pour objet l'amplification de puissance classe b en bande ka. La conception des circuits hyperfréquences demande des outils de caractérisation et des techniques de modélisation des transistors de plus en plus pointus suivant que la fréquence d'utilisation augmente. En bande ka, notamment, la modélisation des composants doit prendre en compte beaucoup plus d'aspects qu'a plus basse fréquence. Mais les critères de temps et de coût des milieux industriels ne sont pas toujours en adéquation avec les techniques sophistiquées déployées pour obtenir ces modèles. Ces préoccupations ont constitue la base essentielle de nos motivations pour ce travail et nous ont guide dans son déroulement. Le fonctionnement en classe b permet de diminuer la consommation des circuits ce qui est primordial pour les dispositifs embarques. La difficulté majeure de la conception de tels circuits est la modélisation précise des transistors. Les principales non-linéarités du schéma équivalent peuvent être obtenues soit par une représentation a l'aide des équations analytiques soit sous forme de tables de données. A cette fin, en ce qui concerne les éléments passifs du schéma équivalent, nous avons développe le logiciel extract d'analyse et d'aide a la modélisation. Celui-ci nous a permis d'accélérer notablement la mise en oeuvre de la technique de modélisation par tables de mesures. Des comparaisons satisfaisantes entre simulations non-linéaires et mesures de puissance ont prouve l'efficacité de la méthodologie que nous avons développée. Par ailleurs, pour les sources convectives de courant, nous avons mis au point un banc automatique de mesures pulsées des transistors a effet de champ. Enfin, ces outils et ces techniques ont été appliques a l'étude d'étages simples et d'étages push-pull de puissance a 28 GHz en classe b.
Author: Olivier Jardel
Author: Christophe Charbonniaud
Author: Mathieu Hazouard
Author: Jean-Pierre Viaud
Author: Tony Gasseling
Author: Alain Mallet
Author: Jean-Luc Gautier
Author: Jean-Luc Muraro
Author: Marc Zoyo
Author: Laurent Rullier