Couverture ElectroniqueS n°127

En occultant la complexité de réalisation et d'implantation HF d'un récepteur numérique, les systèmes en boîtier (SiP) vont dans le sens d'une réduction attendue de la durée du cycle de conception. Intégrant un CAN 16 bits rapide et son pilote différentiel, ainsi que de nombreux composants passifs, le µModule de Linear Technology en est l'illustration. Que ce soit dans le domaine de l'instrumentation haute vitesse ou des stations de base, la conception d'un récepteur en fréquence intermédiaire n'est pas simple si l'on ambitionne un haut niveau de performances. En effet, tirer la quintessence des composants critiques, et plus particulièrement des CAN haute résolution (16 bits) dont les fréquences d'échantillonnage sont de 100 MHz et plus, requiert une expertise certaine. Or peu de concepteurs peuvent se targuer d'avoir l'expérience suffisante en la matière. Par ailleurs, la tendance à la réduction des cycles de développement fait que le droit à l'erreur est faible. Cela signifie que la mise en &oelig;uvre et l'implantation sur la carte doivent être couronnées de succès dès le premier essai.Le fait est que l'interfaçage du dernier étage de la chaîne de conversion de fréquence avec un CAN 16 bits rapide exige des compétences dans plusieurs disciplines. La première difficulté est en rapport avec la terminologie propre au domaine des radiofréquences, bien différente de celle relative aux CAN ou en vigueur dans le monde numérique. L'élaboration du filtre antirepliement de spectre et de l'amplificateur différentiel, indispensable pour piloter les entrées de l'échantillonneur-bloqueur du CAN, n'est pas non plus chose aisée. Enfin, l'implantation et le routage en haute fréquence doivent être soignés car, même à 100 MHz, le frontal large bande du CAN peut collecter du bruit provenant de sources parfois inattendues. Le plus souvent, les fabricants de circuits intégrés proposent un support technique, des conceptions de référence et diverses autres documentations pour faciliter la tâche du concepteur.Les systèmes en boîtier (SiP, system-in-package), tels ceux que propose Linear Technology avec ses µModules, vont encore plus loin dans cette démarche.Concrètement, un SiP comme le LTM9001 intègre un CAN 16 bits dont la cadence d'échantillonnage est de 130 Méch./s, un réseau d'adaptation, un filtre antirepliement de spectre et un amplificateur différentiel dont le gain est fixe (figure 1).A la différence des CAN monolithiques « bufférisés », le LTM9001 s'interface directement avec la chaîne de signal FI, sans nécessiter un savoir-faire pointu dans les diverses disciplines évoquées. Naturellement, un certain niveau de connaissance est encore réclamé mais, comme une partie de la complexité de la réalisation est masquée, la probabilité d'obtenir un fonctionnement correct du premier coup est nettement accrue.Le récepteur µModule est formé d'un substrat à quatre couches sur lequel sont montés une puce avec ses fils de bonding, des circuits intégrés et des passifs.Le LTM9001-AA inaugure une famille qui sera par la suite étoffée. Le gain de l'amplificateur différentiel est ici de +20 dB, tandis que l'impédance d'entrée est de 200 O et la plage de tensions d'entrée égale à ±250 mV. Le réseau d'adaptation est conçu pour optimiser l'interface entre les sorties de l'amplificateur et les entrées du CAN, dans ces conditions. Un filtre passe-bande centré sur 162,5 MHz et de largeur ±25 MHz fait office de filtre antirepliement de spectre, et atténue le bruit de l'amplificateur.Une implantation dans les règles de l'artPour tirer le meilleur d'un CAN 16 bits rapide, l'implantation sur la carte doit être soigneusement étudiée, même si la topologie et les valeurs des composants sont correctes. Les spécialistes RF ont connaissance des règles d'implantation à adopter en fonction de la fréquence de fonctionnement du circuit. Parmi les recommandations de mise en &oelig;uvre : éviter les angles aigus, conserver la symétrie des voies de signal, les isoler des entrées d'horloge et des sorties numériques, etc.Une erreur courante consiste à considérer qu'une FI de 140 MHz ne nécessite pas l'usage de techniques d'implantation propres à la HF. Il faut cependant considérer que la bande passante de l'échantillonneur-bloqueur excède 700 MHz pour un CAN rapide comme celui inclus dans le LTM9001. De ce fait, un bruit haute fréquence peut être capté, avec pour conséquence une détérioration du SNR.Un autre exemple simple concerne le placement des condensateurs de découplage d'alimentation. Dans le routage des cartes à base de CAN, un problème classique est le niveau de bruit excessif lié aux grandes longueurs de pistes entre ces condensateurs et le convertisseur.Une bonne démarche consiste à mettre le condensateur de découplage au plus près de la broche d'alimentation du circuit. Néanmoins, dans une réalisation sous forme discrète, la puce est connectée par des fils de bonding au lead-frame du boîtier. La taille de ce dernier est fonction du nombre de broches à la périphérie, ou est liée à la nécessité de dissiper efficacement la chaleur émise par la puce. Sachant que la longueur des fils de connexion est de l'ordre de 3,5 mm, un condensateur de découplage est fatalement à distance de la puce. A contrario, dans un µModule, cette longueur est ramenée à 0,8 mm (figure 2). De ce fait, les condensateurs remplissent au mieux leur mission de découplage. Par ailleurs, l'empreinte du LTM9001 étant plus petite, le risque de capter un bruit indésirable est moindre.Les extrémités du condensateur, l'une reliée à l'alimentation, l'autre à la masse, seront toutes deux positionnées au plus près du circuit intégré. Concernant la broche d'alimentation, la question se pose de savoir si celle-ci doit retourner vers le côté amont ou le côté aval de l'amplificateur. La décision dépend de la conception et de l'implantation du circuit intégré. Si, le plus souvent, le choix n'a pas d'importance, tel n'est pas le cas lorsque l'étage d'entrée ou de sortie de l'amplificateur est alimenté par une broche dédiée. A ce sujet, les concepteurs du LTM9001 ont l'avantage unique de travailler avec les ingénieurs impliqués dans le développement de l'amplificateur et du CAN, pour trouver le meilleur placement possible.Quant au filtre passe bande différentiel discret, il est constitué d'inductances placées en série dans chacune des branches de la voie de signal. Une pratique avisée suggère que ces inductances soient placées côte à côte pour une meilleure symétrie, et espacées d'une épaisseur de boîtier. Soit suffisamment proches pour éliminer l'effet de champ lointain, mais pas trop non plus pour éviter que le couplage ne réduise leur inductance effective.Beaucoup d'astuces de ce type sont connues et mises en &oelig;uvre par les spécialistes de l'implantation HF. Seulement, cette partie électronique étant généralement placée sur une carte numérique, l'implantation n'est pas toujours confiée à une personne rompue à ces pratiques. La conception du substrat du LTM9001 prend en compte tous ces concepts, normalement assimilés au bout de plusieurs années d'expérience. Si chaque module est caractérisé et testé, il est également envisageable d'acquérir un jeu de composants appariés.Comme la carte d'évaluation du LTM9001 l'atteste, peu de composants environnants sont requis. De telle sorte que l'adoption d'un SiP se traduit non seulement par un gain de temps considérable tant en ce qui concerne la conception que l'implantation, mais aussi par une réduction du nombre de révisions coûteuses de la carte.

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