Etude du bruit électrique dans les dispositifs fonctionnant en régime non linéaire. Application à la conception d'amplificateurs micro-ondes faible bruit
Résumé
This work deals with the study on high frequency noise when components and active circuits are working under large signal conditions. It could be the case for broadband receivers fitted with low noise amplifiers, which are desensitized by blocking signals. Mixers and oscillators are also under consideration. Firstly, a behavioural modelling is described and allows us to point out the interaction of white noise with a sinusoidal signal. The theoretical model is compared to several conditions of operation, and we obtained satisfying agreements. Many amplifiers are tested and compared; at least, the behavioural modelling is used to study their additive noise. The second part is dedicated to measurement techniques we have developed for this work. We are capable to measure noise figure and noise parameters of microwave active devices functioning with strong power signals. We also propose an original method which provides the four noise parameters of discrete components or amplifiers working under large signal condition. The results we have found are indirectly compared to residual phase noise measurements. After all, the last part affects the design of low noise amplifiers working under nonlinear condition. Various silicon bipolar transistors have been characterized, and a figure of merit have been set in order to find the best component taking into account noise figure and linearity. Finally, simulations and experimental results demonstrate the interest of designing circuits working under strong nonlinear regime.
Le travail présenté dans cette thèse est centré sur l'étude du bruit hyperfréquence lorsque les composants et circuits actifs sont soumis à de forts signaux. Ceci peut être le cas des amplificateurs faible bruit utilisés dans les récepteurs large bande qui seront désensibilisés. Les mélangeurs et les oscillateurs sont aussi à considérer. La première partie de cette thèse est consacrée à la présentation d'un modèle comportemental permettant de prévoir notamment l'interaction entre un signal sinusoïdal et un bruit blanc. Le modèle théorique est confronté avec des mesures effectuées pour différentes conditions de fonctionnement et l'accord obtenu est satisfaisant. Plusieurs amplificateurs sont ainsi comparés et le modèle comportemental est utilisé pour étudier leur bruit propre. La seconde partie aborde les techniques de mesure développées au cours de nos travaux pour mesurer le facteur de bruit et les paramètres de bruit de dispositifs micro-ondes en présence d'un fort signal. Nous proposons ensuite une méthode originale permettant de déterminer les quatre paramètres de bruit de transistors et d'amplificateurs fonctionnant en régime non-linéaire. Les résultats obtenus sont comparés de manière indirecte avec des mesures de bruit de phase résiduel. La dernière partie concerne la conception d'amplificateurs faible bruit en régime de fonctionnement non-linéaire. Différents transistors bipolaires sur silicium ont ainsi été caractérisés et un facteur de mérite a été trouvé de manière à choisir le meilleur composant en terme de facteur de bruit et de linéarité. Finalement les résultats de simulation démontrent l'intérêt de concevoir des circuits faible bruit qui fonctionnent en régime fortement non-linéaire.