Les communications par satellite constituent sans doute l'application mixte la plus exigeante en termes de fiabilité. Les composants utilisés à bord des satellites doivent non seulement résister à une large gamme de températures et de radiations, mais aussi offrir des performances et une fiabilité élevées. Les applications spatiales s'implantent progressivement sur le marché commercial ; le prix et la taille sont donc des facteurs clés pour les dispositifs et composants destinés à ce secteur. 


La consommation d'énergie représente sans doute la principale préoccupation. Grâce à l'utilisation de dispositifs basés sur la technologie UltraCMOS™ – une technologie silicium sur isolant (SOI) économique sur substrat saphir – les concepteurs de systèmes satellitaires bénéficient déjà d'une flexibilité de conception sans précédent, ainsi que de performances et d'une consommation d'énergie réduites par rapport aux alternatives plus volumineuses en GaAs et CMOS.
Plusieurs dispositifs mixtes clés (analogiques ou RF et numériques) sont actuellement utilisés dans les applications spatiales, notamment les boucles à verrouillage de phase (PLL), les sous-systèmes de fréquence intermédiaire (FI) intégrés et les diviseurs de fréquence. Leur mise en œuvre en UltraCMOS ouvre la voie à la conception de systèmes satellitaires plus légers, plus compacts, plus performants et moins coûteux, dont le lancement est également moins onéreux.

Exploiter le potentiel du CMOS

technologie-1bLes avantages de la faible consommation et de la facilité d'intégration de la technologie CMOS sont bien connus. UltraCMOS, une version avancée de CMOS, est une technologie CMOS à déplétion totale mise en œuvre sur un film de silicium de 50 à 100 nm déposé directement sur un substrat de saphir. Grâce à l'utilisation du saphir, un isolant quasi parfait, les plaquettes UltraCMOS nécessitent un procédé CMOS standard à faible densité de défauts, ce qui permet une fabrication simple et performante. Elles permettent la production de transistors à isolation diélectrique, améliorant ainsi la gestion de la puissance par rapport aux autres technologies. De plus, étant une technologie CMOS, elle offre les niveaux logiques inhérents à cette technologie, la rendant particulièrement adaptée aux circuits intégrés mixtes.
En effet, le procédé UltraCMOS offre plusieurs avantages et un nouvel élan pour la conception RF et mixte. Pour les applications satellitaires, il présente plusieurs caractéristiques remarquables. Cette technologie offre une faible capacité, permettant des vitesses élevées avec une faible consommation. Son fonctionnement à déplétion totale améliore la linéarité, la vitesse et les performances basse tension par rapport aux autres technologies. Les dispositifs UltraCMOS sont intrinsèquement protégés contre les radiations et offrent une protection ESD HBM jusqu'à 2 kV avec de faibles effets parasites. Enfin, étant donné qu'ils sont fabriqués dans des installations de production CMOS standard sur de grandes plaquettes, ils offrent les mêmes avantages économiques généralement associés à la technologie CMOS. La technologie UltraCMOS a été utilisée très tôt dans les applications spatiales et continue d'apporter des améliorations aux conceptions complexes requises par les systèmes de nouvelle génération.

 

PLL Advance

Technologie-2Un composant essentiel du trajet du signal satellite est la PLL (Plug-Line Layer). Ces dispositifs reçoivent généralement un signal très faible, de l'ordre de -30 dBm, et génèrent une forme d'onde numérique complexe qui pilote l'oscillateur local (OL). Étant un dispositif à signaux mixtes, les performances de la PLL sont fortement influencées par une amélioration d'un seul dB d'une spécification, telle que le bruit de phase.
Auparavant, les PLL blindées contre les radiations et présentant un excellent bruit de phase devaient être construites à partir de composants discrets. Ces circuits, lourds et énergivores, limitaient le nombre de PLL pouvant être embarquées sur un satellite. L'avènement des PLL monopuces a incité les concepteurs à étendre leur utilisation aux systèmes satellitaires avancés, car leurs performances en matière de bruit de phase répondaient aux exigences du système et ces dispositifs pouvaient même dépasser les exigences et les normes de fiabilité propres aux satellites.
Les PLL UltraCMOS offrent les avantages d'une solution monopuce en termes de taille et de consommation d'énergie, ainsi que des performances en matière de bruit de phase améliorées par rapport aux solutions discrètes. Les premières implémentations de PLL UltraCMOS atteignaient les meilleures spécifications de bruit de phase du marché et étaient les premières PLL monopuces blindées contre les radiations disponibles. Plus récemment, ces performances en matière de bruit de phase ont été encore améliorées avec l'introduction du PE97632, qui offre un bruit de phase de -216 dBc/Hz normalisé à 1 Hz (équivalent à un décalage de -103 dBc/Hz ; voir figure 1a). Cette spécification est de 4 à 10 dB supérieure à celle des dispositifs UltraCMOS précédents qui détenaient 100 % des parts de marché (figure 1b). Avec une amélioration de seulement 3 dB, les concepteurs de satellites peuvent doubler leur capacité de charge utile.
Les performances exceptionnelles de ces PLL en matière de bruit de phase résultent directement de l'adéquation intrinsèque de la technologie UltraCMOS aux applications RF mixtes. Par exemple, une PLL monopuce avancée contient entre 5 000 et 10 000 portes logiques ainsi que des éléments analogiques critiques, notamment des pompes de charge, des tampons de référence et des amplificateurs d'entrée. Pour mettre en œuvre une PLL intégrée, chacune de ces fonctions doit être conçue et optimisée à l'aide d'une seule technologie afin de minimiser sa contribution au bruit de phase sur le chemin du signal.

Technologie Ultra-3En matière d'intégration, la technologie CMOS reste la plus prisée. Cependant, pour les applications RF, elle n'a pas toujours permis de répondre aux exigences de performance. Grâce à son substrat isolant en saphir, la technologie UltraCMOS est intrinsèquement résistante aux radiations et aux hautes températures. Le procédé UltraCMOS est parfaitement adapté aux applications spatiales, offrant une immunité au verrouillage par événement unique (SEL), une résistance supérieure aux perturbations par événement unique (SEU) inférieure à 10⁻⁹ erreurs par bit-jour et une tolérance à la dose de radiation totale de 100 krads. La figure 2 illustre l'impact négligeable des radiations sur le bruit de phase de la boucle à verrouillage de phase (PLL) UltraCMOS.
Face à cette amélioration sans précédent permise par les dispositifs UltraCMOS, les concepteurs de satellites repensent entièrement leurs architectures. Par exemple, une PLL intégrée sur une seule puce, présentant un bruit de phase exceptionnellement faible, permet de l'intégrer à un plus grand nombre d'emplacements dans la conception. Ainsi, certains des satellites les plus récents embarquent désormais des centaines de PLL UltraCMOS. Grâce à la possibilité d'équiper chaque canal de communication d'une boucle à verrouillage de phase (PLL) à moindre coût, chaque canal peut être réglé individuellement. Ce type d'amélioration pourrait générer des centaines de millions de dollars de revenus supplémentaires pour le marché des communications par satellite et plus que doubler la capacité d'un satellite pour des services tels que la diffusion de télévision et les communications point à point.

Technologie4Simplification des sous-systèmes

Le coût, le poids et la consommation d'énergie sont les principaux aspects à prendre en compte dans toutes les phases de la conception des satellites. Les satellites commerciaux coûtent généralement environ 20 000 $/kg de masse au lancement et 20 000 $/W de consommation. Par conséquent, la réduction du nombre de composants et l'intégration des fonctionnalités dans un seul boîtier sont des objectifs prioritaires. Ainsi, un sous-système intégré a été développé, comprenant un convertisseur abaisseur FI avec contrôle numérique du gain en technologie UltraCMOS pour les applications spatiales. Ce dispositif illustre l'avantage du substrat saphir pour une intégration RF poussée, notamment la possibilité d'intégrer un pourcentage élevé de composants passifs. La puce présentée sur la figure 3 offre une atténuation numérique par paliers de 64 dB à 0,5 dB/palier, intègre une interface série à trois fils et offre un gain total de 80 dB.
Récemment, à la demande d'un client, un nouveau sous-système UltraCMOS a été conçu, intégrant trois amplificateurs FI et trois atténuateurs numériques par paliers sur une seule puce. Ce produit, appelé IF on chip (IFOC), est un amplificateur à gain variable à commande numérique fonctionnant entre 60 et 200 MHz. Sa conception intégrée réduit le nombre de composants discrets de 50 à 100 sur une seule puce. Ce dispositif, fabriqué sur mesure, a passé avec succès les tests initiaux et est actuellement en phase de déploiement et de tests finaux. Le passage d'amplificateurs à gain variable traditionnels à des amplificateurs à gain fixe avec atténuateurs numériques intégrés a permis de réduire la consommation d'énergie d'environ 75 %.

Réduction de la consommation d'énergie du diviseur de fréquence :
Les satellites produisent et stockent leur propre énergie grâce à des panneaux solaires et des batteries. Par conséquent, les concepteurs de satellites doivent optimiser au maximum la consommation d'énergie embarquée, car celle-ci influe directement sur la durée de vie opérationnelle du satellite. Le refroidissement de la chaleur dissipée est souvent aussi coûteux que sa production (les satellites fonctionnent littéralement sous vide). Les satellites commerciaux actuels ont une durée de vie prévue de 15 ans.
Grâce aux diviseurs de fréquence UltraCMOS, les concepteurs peuvent réduire la consommation d'énergie jusqu'à 90 % par rapport aux dispositifs GaAs pour les applications spatiales. Par exemple, un diviseur de fréquence UltraCMOS fixe par 4 actuellement disponible consomme moins de 50 mW à partir d'une source unique de +2,5 V CC entre 5,8 et 13,5 GHz. Avant l'avènement des dispositifs UltraCMOS, cette fonction était assurée par un dispositif GaAs, qui consommait environ 500 mW.
Un nouveau diviseur de fréquence UltraCMOS fonctionnant entre 4 et 14 GHz a récemment été développé. Ce dispositif, réalisé à l'aide de transistors UltraCMOS de 0,25 micron, offre aux fabricants de satellites la flexibilité d'utiliser un seul diviseur de fréquence couvrant une large bande de fréquences. Grâce à l'utilisation d'une technologie de fabrication identique, le chemin de tous les diviseurs de fréquence UltraCMOS est parfaitement intégré aux boucles à verrouillage de phase (PLL) UltraCMOS, simplifiant ainsi la conception du système.
La figure 4 illustre la sensibilité thermique typique de cinq diviseurs de fréquence UltraCMOS distincts, couvrant la bande de 4 à 14 GHz. Bien que la sensibilité soit généralement supérieure à +5 dBm sur toute la bande, une zone de sensibilité d'environ -20 dBm est observée aux alentours de 8 GHz. Ceci est dû à la résonance entre les fils de connexion et la capacité d'entrée des transistors initiaux. Cette résonance est reproductible et peut être exploitée par les fabricants de satellites pour optimiser la sensibilité à la fréquence souhaitée.
Avant l'avènement de la technologie UltraCMOS, les PLL monopuces économiques n'étaient pas disponibles pour les marchés exigeants tels que celui des satellites commerciaux. Outre les diviseurs de fréquence et les sous-systèmes FI, les concepteurs travaillant avec UltraCMOS cherchent à appliquer cette technologie prometteuse à toutes les fonctions principales des applications RF mixtes. Ces dispositifs mixtes, réalisés avec la même technologie, se prêtent naturellement à une intégration poussée. Grâce aux circuits monolithiques UltraCMOS hautement intégrés, les fabricants peuvent réduire leurs stocks, simplifier les spécifications des composants et s'affranchir des contraintes liées aux entrées/sorties. L'ensemble de ces avantages permettra à l'avenir de concevoir des systèmes plus complexes.

 

 

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L'auteur

Responsable de la conception et de la mise en œuvre de la stratégie marketing mondiale des produits Peregrine, Rodd Novak est vice-président du marketing et dirige les activités de développement stratégique de l'entreprise. Vous pouvez le contacter à l'adresse suivante :