Modélisation non-linéaire et en bruit de composants micro-ondes pour applications à faible bruit de phase

par Sébastien Gribaldo

Thèse de doctorat en Micro-ondes

Sous la direction de Olivier Llopis.

Soutenue en 2008

à Toulouse 3 .

mots clés

• Oscillateur
• Bruit de phase
• Circuits micro-ondes
• Transistor bipolaire
• TBH SiGe
• Modélisation non-linéaire
• Résonateur BAW
• Fbar
• Smr
• Oscillateur mesure en bruit
• Oscillateurs à microondes
• Bruit électronique -- Mesure
• Cavités résonnantes (microondes)
• Amplificateurs microondes

Résumé

Cette thèse présente tout d'abord le travail effectué sur la modélisation non-linéaire et en bruit d'amplificateurs micro-ondes à base de transistors SiGe appliquée à la conception d'oscillateurs à très haute pureté spectrale. Le but de ce travail est principalement de comprendre comment modéliser le bruit dans ces transistors en fonctionnement non-linéaire afin de calculer de façon précise le niveau de bruit de phase des amplificateurs utilisés dans une boucle d'oscillation. Cette modélisation fine nous permet de concevoir un amplificateur en bande X présentant une performance en bruit de phase très intéressante pour une application d'oscillateur. Un autre problème concerne l'application de ces mêmes techniques de caractérisation et de modélisation aux résonateurs FBAR et SMR. Ces résonateurs sont utilisés depuis peu et apportent cependant leur propre contribution de bruit au système, et doivent faire l'objet d'une approche de modélisation non-linéaire et en bruit. Ce manuscrit de thèse présente tout d'abord les différentes techniques de mesure de bruit des composants actifs. Il décrit ensuite des techniques de modélisation de composants en régime non-linéaire et en bruit. La conception et l'optimisation d'un amplificateur à faible bruit de phase est ensuite détaillée. Enfin, les techniques de mesures et de modélisation précédemment décrites sont appliquées aux résonateurs SMR et FBAR afin d'extraire leur contributions en bruit, ainsi qu'un modèle non-linéaire et en bruit de ces composants. Ce travail démontre ainsi la faisabilité d'une modélisation fine du bruit en régime non-linéaire utile pour concevoir et optimiser des sources stables ou ultrastables.

Titre traduit

Nonlinear Noise Modelling of RF components dedicated to low phase noise applications : this work deals with nonlinear noise modelling of amplifiers

Résumé

This work deals with nonlinear noise modelling of SiGe HBT amplifiers to be applied to oscillator design. In this manuscript we will try to understand how to accurately model the noise phenomena taking place in transistors to better predict the phase noise behavior of RF amplifiers placed in a oscillating feedback loop. A hybrid technology X band amplifier design using this later modelling is pointed out. Therefore, the topology used to design this device is quite simple and allow us to obtain very good results for the phase noise and the gain performances. Another issue is how to apply these later techniques to the characterization and the modelling of FBAR or SMR resonators. These resonators are used for few years to realize integrated high reliable RF synthesizers. Nevertheless, they get their own contribution to the overall system noise. This work presents first the different noise measurement techniques of the active components, such as transistors or integrated resonators. Component modelling techniques are then described and applied to a nonlinear model including noise sources. Then, the optimization and the design of a low phase noise amplifier is detailed. Finally, the modelling and measurements techniques described before are applied to FBAR or SMR resonators in order to extract their noise contribution, and also a nonlinear noise model of these components. This work demonstrates that an accurate nonlinear noise modelling can be done. This later should be very suitable to design and optimize circuits integrated in stable or ultrastable synthesizers.