Introduction.
Dans la continuité de notre série d'articles courts sur la radiofréquence (RF) destinés aux non-spécialistes, nous aborderons ici les circuits intégrés d'atténuation et présenterons leurs types, configurations et spécifications. Cet article vise à aider les ingénieurs à se familiariser avec la vaste gamme de circuits intégrés et à choisir celui qui convient le mieux à une application donnée. Les autres articles de cette série sont : « Guide pour choisir l'amplificateur RF adapté à votre application », « Comment sélectionner facilement le bon composant de génération de fréquence » et « La RF démystifiée : comprendre les réflexions d'ondes ».

D'un point de vue fonctionnel, les atténuateurs se classent en deux
catégories
Les VVA permettent un réglage continu du niveau d'atténuation, qui peut être fixé à n'importe quelle valeur dans une plage donnée. Les atténuateurs variables analogiques sont généralement utilisés pour les circuits de contrôle automatique de gain, les corrections d'étalonnage et autres fonctions de traitement nécessitant un contrôle précis et progressif du signal.
Les DSA offrent une série de niveaux d'atténuation discrets, permettant d'ajuster l'intensité du signal par pas d'atténuation prédéterminé. Les atténuateurs RFIC à commande numérique, compatibles avec les microcontrôleurs, constituent une solution optimale pour garantir l'intégrité fonctionnelle des circuits complexes.

Configurations de conception.
Les circuits intégrés d'atténuateurs peuvent être réalisés en technologies GaAs, GaN, SiC ou CMOS, à l'aide de résistances, de diodes PIN, de transistors FET, HEMT et de transistors CMOS. La figure 1 illustre trois topologies de base sous-jacentes aux différentes configurations de conception d'atténuateurs : les réseaux en T, en π et en T ponté.

Les atténuateurs à valeur fixe utilisent ces topologies de base, réalisées avec des résistances en technologies hybrides couches minces et épaisses, pour fournir des niveaux d'atténuation fixes.
à valeur variable (VVA) utilisent généralement une configuration en T ou en π avec une diode ou un transistor fonctionnant dans une région de résistance non linéaire. Les caractéristiques de résistance des éléments de base sont exploitées pour ajuster le niveau d'atténuation requis en faisant varier la tension de commande. Les atténuateurs à seuil différentiel (
DSA) utilisent généralement plusieurs unités en cascade représentant des bits individuels, qui peuvent être activés ou désactivés pour atteindre le niveau d'atténuation nécessaire. La figure 2 présente quelques exemples de configurations utilisées pour les conceptions de DSA. Ces configurations comprennent des commutateurs SPDT intégrés qui basculent les ports d'entrée et de sortie avec le capteur d'atténuation et une ligne de passage, des conceptions de dispositifs commutés avec des transistors ou des diodes utilisés comme résistances commutables, des configurations de résistances commutées où les résistances peuvent être activées ou désactivées dans le circuit, et des conceptions de type dispositif intégré avec un transistor ou une diode faisant partie intégrante de la conception.

Les topologies d'atténuateurs peuvent être agencées selon une conception à réflexion ou symétrique/symétrique, comme illustré schématiquement sur la figure 3. Les dispositifs à réflexion utilisent des atténuateurs de même amplitude, tout comme les dispositifs symétriques. Les dispositifs à réflexion utilisent des atténuateurs identiques connectés à la sortie d'un coupleur en quadrature 3 dB et offrent généralement une large plage dynamique. Les configurations symétriques combinent une paire d'atténuateurs identiques à l'aide de deux coupleurs en quadrature 3 dB et offrent un bon TOS et une bonne tenue en puissance.


Outre les principales configurations décrites dans cet article, d'autres types de circuits existent pour la mise en œuvre de composants CI d'atténuateurs ; cependant, leur étude dépasse le cadre de ce bref article.^1,2

Spécifications clés
► Pour choisir l'atténuateur adapté à l'application finale, l'ingénieur doit parfaitement maîtriser ses spécifications clés. Outre les capacités d'atténuation et certains paramètres fondamentaux tels que les pertes d'insertion et de retour, plusieurs autres caractéristiques permettent de décrire les composants d'un atténuateur. Les principales sont :
► Plage de fréquences (Hz) : fréquences sur lesquelles le circuit intégré conserve ses caractéristiques spécifiées.
► Atténuation (dB) : niveau de suppression au-delà de la perte d'insertion.
► Réponse en fréquence : variation du niveau d’atténuation (dB) sur la plage de fréquences (Hz)
► Plage d’atténuation (dB) : valeur d’atténuation totale fournie par le composant
► Linéarité d’entrée (dBm) : généralement exprimée en fonction du point d’interception du troisième ordre (IP3), qui définit un point hypothétique pour le niveau de puissance d’entrée auquel la puissance des composantes parasites correspondantes atteindrait le même niveau que la composante fondamentale
► Puissance admissible (dBm) : généralement décrite en fonction du point de compression d’entrée à 1 dB, qui définit le niveau de puissance d’entrée auquel la perte d’insertion de l’atténuateur diminue de 1 dB ; la caractéristique de puissance admissible est généralement spécifiée pour les niveaux de puissance d’entrée moyens et de crête, en régime permanent et en commutation à chaud.
Phase relative (degrés) : déphasage introduit dans un signal par le composant atténuateur.
En plus de ces paramètres communs, les atténuateurs variables sont également décrits par leurs caractéristiques de commutation, qui sont généralement exprimées en ns en termes de temps de montée et de descente, de temps d'activation et de désactivation, et de temps nécessaire au signal de sortie RF pour atteindre l'amplitude et la phase.

Chaque type d'atténuateur variable possède des caractéristiques spécifiques.
Pour les atténuateurs à tension variable (VVA), celles-ci sont liées à leur fonctionnement de commande analogique et comprennent :
► Plage de commande en tension (V) : les tensions nécessaires pour ajuster le niveau d'atténuation dans la plage d'atténuation.
► Caractéristiques de commande, généralement exprimées en termes de pente d'atténuation (dB/V) et de courbes de performance montrant le niveau d'atténuation en fonction de la tension de commande.
Pour les atténuateurs à variation continue (DSA), leurs caractéristiques intrinsèques comprennent :
► Précision d'atténuation (ou erreur d'état) (dB) : la limite de variation du niveau d'atténuation par rapport à la valeur nominale.
► Pas d'atténuation (dB) : la différence entre deux états d'atténuation successifs.
► Erreur de pas (dB) : la limite de variation du pas d'atténuation par rapport à la valeur nominale.
► Dépassement, sous-dépassement (dB) : niveau des transitoires de signal (parasites) lors des transitions d'état.
En général, un bon composant atténuateur est nécessaire pour offrir des performances d'atténuation plates et un bon TOS sur toute la plage de fréquences de fonctionnement, pour offrir une précision et une capacité de gestion de la puissance suffisantes, et pour assurer un fonctionnement fluide et sans accroc avec peu de distorsion du signal lors des transitions d'état ou pour fournir une caractéristique de contrôle linéaire.

Conclusion :
La grande variété de circuits intégrés d’atténuation ne se limite pas à ceux présentés dans cet article. Parmi les autres types, on trouve les atténuateurs à fréquence variable et à compensation de phase, les atténuateurs variables en fonction de la température, les atténuateurs variables programmables (VVA) avec convertisseur numérique-analogique intégré, et bien d’autres. Toutefois, cet article s’est concentré sur les catégories les plus courantes de circuits intégrés d’atténuation et a présenté leurs principales topologies et spécifications, permettant ainsi aux concepteurs RF de choisir le composant adapté à une application donnée.
Analog Devices propose la gamme de composants RF intégrés la plus étendue du marché. Les circuits intégrés d’atténuation ADI sont disponibles dans une large gamme d’architectures et de formats, offrant aux concepteurs la flexibilité nécessaire pour sélectionner le composant le mieux adapté aux exigences de leur système.

Les composants sont conçus pour offrir des performances optimales et un fonctionnement extrêmement fiable afin de répondre aux exigences les plus strictes dans un large éventail d'applications sur les marchés de l'instrumentation, des communications, de la défense et de l'aérospatiale.3

Références
1. Inder J. Bahl. Control Components Using Si, GaAs, and GaN Technologies. Artech
House, 2014.
2. Ian Robertson et Stepan Lucyszyn. RFIC and MMIC Design and Technology.
The Institution of Engineering and Technology, novembre 2001.
3. « RF, Microwave, and Millimeter Wave Products Selection Guide 2021 ». Analog Devices, Inc., septembre 2021.
À propos de l’auteur :

Anton Patyuchenko est un spécialiste RF avec plus de 15 ans d’expérience dans ce domaine. Diplômé en ingénierie micro-ondes de l’Université technique de Munich en 2007, il a ensuite travaillé comme chercheur associé à l’Institut des micro-ondes et des radars du DLR. En 2015, il a rejoint Analog Devices où il occupe actuellement le poste de responsable technique des applications terrain, spécialisé dans les technologies RF.