Brevet FR2481863A1 — publié le 19811106

DJ ZZ4Z4 248 1863 AMPLIFICATEUR HAUTE FREQUENCE FONCTIONNANT EN CLASSE C SOUS HAUTE TENSION La présente invention concerne les amplificateurs de puissance à transistors à haute fréquence et, plus particulièrement, de tels am- plificateurs incluant des transistors connectés en série de manière à pouvoir fonctionner sous de hautes tensions. Les tensions de fonctionnement des transistors sont limitées par les tensions de claquage des jonctions, par exemple BVCES (tension de claquage collecteur-émetteur) pour les transistors bipolaires et BV 5D (tension de claquage drain-source) pour les transistors à effet de champ. Lorsqu'on utilise un transistor à effet de champ comme com- posant actif dans un amplificateur de classe C et que l'impédance de sortie du transistor est correctement adaptée, la tension de drain varie normalement entre la tension de saturation drain-source et en- viron le double de la tension d'alimentation. Des tensions similaires apparaissent également dans les amplifica- teurs de classe C utilisant des transistors bipolaires. Lorsque l'im- pédance de charge n'est pas adaptée à l'impédance de sortie du tran- sistor, il peut se créer des ondes stationnaires de tension dont l'am- plitude de crête est supérieure au double de la valeur de la tension d'elimentation. De ce fait, il est généralement recommandé que les tensions d'alimentation soient plus d'une fois et demi inférieure à la tension de claquage maximale. Les transistors de puissance actuellement sur le marché et prévus pour fonctionner à des fréquences supérieures à 100 méga Hertz sont généralement conçus de manière à être alimentés par une tension con- tinue inférieure à 36 volts. Ces tensions relativement basses ont été définies par l'industrie, probablement dans un but de sécurité et pour permettre l'utilisation de ces transistors dans des équipements par- tatifs alimentés par piles. Dans le but de pouvoir augmenter la puis- sance de sortie, on utilise le plus fréquemment des circuits actifs montés en parallèle. La tension de commande est alors divisée et ap- pliquée séparément à chaque circuit tandis que-les signaux de sortie sont calculés pour atteindre la puissance de sortie souhaitée. On ob- tient ainsi un nouvel amplificateur de puissance plus élevée et fonc- ri ne en A 2 2481863 tionnant avec la même tension continue d'alimentation mais consom- mant plus de courant par rapport au nombre de circuits de puissance mis en parallèle. Dans certains cas, on peut utiliser une tension d'alimentation plus élevée et, en particulier, la tension alternative relativement élevée fournie pour l'usage domestique et pour les bureaux. La tension al- ternative est alors abaissée au moyen de transformateurs puis redres- sée de manière à obtenir une tension continue compatible avec le fonctionnement des transistors. Toutefois, il serait souhaitable d'éviter d'utiliser des transformateurs de coût relativement élevé et d'encombrement génant, pour faire fonctionner les amplificateurs de puissance sous de hautes tensions. On sait en outre que si les ampli- ficateurs peuvent fonctionner sous de hautes'tensions, le courant di- minue ce qui permet, par exemple, de réduire proportionnellement la taille des conducteurs. Bien que les fines régions d'interaction ren- dent incompatible une tension de claquage élevée avec un fonctionne- ment à haute fréquence, il serait cependant avantageux de pouvoir utiliser des transistors à tension de claquage élevée en combinaison avec des tensions d'alimentation élevées. Donc, de façon inhérente,un fonctionnement à haute fréquence impose des tensions de claquage bas- ses. La présente invention a pour objet un amplificateur à haute fréquen- ce pouvant être alimenté sous une tension élevée. Selon l'invention, l'amplificateur comprend une pluralité de tran- sistors connectés en série, incluant un premier et un deuxième tran- sistors. Chacun des transistors comprend une première, une deuxième et une troisième électrodes et a une tension de claquage associée de la deuxième à la troisième électrode. Le premier transistor a sa troi- sième électrode connectée à une tension de référence et sa deuxième électrode reliée à la troisième électrode de l'un des autres transis- tors. Le deuxième transistor a sa troisième électrode reliée à la deuxième électrode d'un autre transistor. Une borne d'entrée recevant le signal à haute fréquence est reliée à la première électrode du premier transistor. Des premiers moyens de polarisation en tension continue, reliés à la première électrode du premier transistor, per- mettent d'appliquer à celle-ci une tension continue de polarisation sensiblement égale à la tension de référence. Une borne de sortie dé- - 3 248 1863 livrant un signal de puissance à haute fréquence appliqué à la charge, est reliée à la deuxième électrode du deuxième transistor. Une induc- tance est connectée entre la deuxième électrode du deuxième transis- tor et la source de tension d'alimentation. Chacun des transistors de la pluralité de transistors, à l'exception du premier, a sa-première électrode reliée à des moyens de polarisation de cette dernière sous une tension continue comprise entre la tension de fonctionnement et la tension de référence. Chacun des transistors de la pluralité de transistors, à l'exception du premier, a également sa première élec- trode reliée à des moyens d'application d'un niveau déterminé du si- gnal de puissance à haute fréquence* La tension de fonctionnement de l'amplificateur peut Otre sensiblement égale à la moitié de la somme des tensions de claquage de la pluralité de transistors L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et ca- ractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit donnée à titre non limitatif et à laquelle deux planches de dessins sont annexées. La Figure 1 représente schématiquement un circuit d'amplificateur haute fréquence conforme à la présente invention, Les Figures 2 A, 2 B et 2 C représentent les courbes de l'onde de tension relevée en différents points du circuit représenté figure 1, La Figure 3A représente un double transistor à effet de champ qui peut &tre utilisé dans l'amplificateur de la figure l, et La Figure 3B représente le schéma électrique du double transistor de la figure 3A. On a représenté figure 1 le schéma électrique préféré d'un amplifi- cateur à haute fréquence selon la présente invention utilisant des transistors "MOSFET" de puissance, à N canaux en mode VHF. On appli- que à la borne d'entrée 10 le signal à haute fréquence provenant d'une source extérieure. Le signal de sortie apparaît à la borne 12 pour être appliqué à la charge. L'amplificateur est alimenté au moyen d'une source de tension continue VDDe La borne d'entrée 10 est reliée à la grille Gl du premier transistor Ql par l'intermédiaire d'un condensateur de blocage Cl et d'une induc- tance Ll. Le point de jonction du condensateur Cl et de l'inductance Ll est relié à une tension de référence, qui est dans l'exemple pré- sent la terre, par l'intermédiaire d'un condensateur C2. L'ensemble incluant l'inductance Li et le condensateur C2 constitue un réseau 14 d'adaptation des impédances d'entrée permettant d'adapter l'impédance de la source du signal à haute fréquence à l'impédance d'entrée du transistor QI. La grille Gi du transistor Ql est reliée à la terre par l'intermédiaire d'une bobine d'arrêt L2. La source 51 du transis- tor Qi est reliée à la terre. L'inductance L2 permet de polariser le transistor Qi à l'état bloqué lorsqu'il n'y a pas de signal, et pré- sente une forte impédance pour les signaux ayant une fréquence élevée. Le drain Dl du transistor Ql est relié à la source 52 du second tran- sistor Q2. Le drain D2 du transistor Q2 est relié à la borne de sortie 12 par l'intermédiaire d'une inductance L3 en série avec un condensa- teur C3 bloquant le courant continu* Le point de jonction de l'induc- tance L3 et du condensateur C3 est relié à la terre par l'intermédiaire d'un condensateur C4. L'ensemble incluant l'inductance L3 et le conden- sateur C4 constitue un réseau 16 d'adaptation des impédances de sortie permettant d'adapter l'impédance de sortie du transistor Q2 à celle de la charge connectée à la borne 12. Le drain D2 du transistor Q2 est relié en outre à la source de tension VDD par l'intermédiaire des in- ductances L4 et LS disposées en série. Le point de jonction de ces dernières est relié à la terre par l'intermédiaire d'un condensateur 05. Enfin la source de tension continue d'alimentation VDD est reliée à la terre par l'intermédiaire d'un condensateur C6. Llensemble in- cluant les inductances L4 et L5 et les condensateurs-C5 et C6 constitue un filtre 18 permettant d'alimenter le drain D2 du transistor Q2 en courant continu en provenance de la source d'alimentation et d'interdire aux courants de haute fréquence apparaissant sur le drain D2 du tran- sistor Q2 d'atteindre cette source d'alimentation. Deux résistances Rl et R2 en série sont disposées entre la source de tension d'alimentation VDD et la terre. Le point de jonction de ces ré- sistances RI et R2 est relié à la grille G2 du transistor Q2 par I'in- termédiairè de la résistance R3, et à la terre par l'intermédiaire du condensateur C7 qui filtre les signaux à haute fréquence apparaissant en ce point. L'ensemble incluant les résistances Rl, R2 et R3, et le condensateur C7 constitue un réseau 20 de polarisation en courant con- tinu fonctionnant de manière à appliquer une tension continue de pola- risation à la grille G2 du transistor Q2. Un condensateur C8 relie la grille G2 du transistor Q2 à la terre. Une résistance R4 de réaction 248 1863 relie la grille G2 et le drain D2 du transistor Q2. Les transistors Qi et Q2 de l'amplificateur représenté figure i sont polarisés de manière à fonctionner en classe C. L'inductance L2 permet d'obtenir une tension de repos nulle entre la grille G1 et la source Si du transistor Qi. Le réseau 20 de polarisation permet d'ap- pliquer à la grille G2 du transistor T2 une tension de polarisation qui est approximativement égale à la moitié de la tension VDD de la source d'alimentation. Lorsqu'il est bien réglé, l'amplificateur fonctionne avec une tension VDD d'alimentation partagée pratiquement en parts égales entre les transistors Ql et Q2, ce qui permet d'avoir sur le drain Dl du transistor Ql un signal de haute fréquence dont l'amplitude crgte-à-crgte de la tension est de l'ordre de la valeur de la tension continue VDD de la source d'alimentation. Si l'on sou- haite obtenir un amplificateur à large bande, les deux réseaux 14 et 16 d'adaptation des impédances respectivement d'entrée et de sortie doivent être remplacés par des réseaux à large bande appropriés bien connus de l'Homme de l'Art. En observant maintenant les figures 2A, 2B et 2C, on peut constater la forme des signaux en différents points du circuit représenté figu- re l. La figure 2A représente, à titre de référence, le signal d'entrée à haute fréquence appliqué à la grille Gl du transistor QI. La figure 2B représente la relation qu'il y a entre le signal sur le drain Dl du transistor Qi, référencé VDl, et le signal sur la grille G2 du tran- sistor Q2, référencé VG2. La différence entre VDI et V 2 constitue le signal de commande de la jonction grille-source pour le transistor Q2. La forme du signal de sortie sur le drain D2 du transistor Q2, VD2, est représentée figure 2C. L'amplitude maximale de VD2 est sensible- ment de l'ordre du double de la valeur de la tension VDD d'alimenta- tion, et la valeur minimale est représentative de la valeur drain à source sur résistance des transistors Qi et Q2. Au transistor Q2 est associé un condensateur additionnel CDG non représenté et connecté entre le drain D2 et la grille 62. Ce conden- sateur CDG, la résistance R4 et le condensateur CS permettent de com- mander le niveau du signal de haute fréquence appliqué à la grille G2 du transistor Q2 en dirigeant une partie du signal sur le drain D2. L'amplificateur représenté figure 1 a été réalisé au moyen des com- posants suivants: Q1, L2 Transistors MOSFET VMP 4 N-canaux R1 220 kilohms R2 110 kilohms R3 330 kilohms R4 i megohm C1, C3, C7 220 picofarads C2, C8 4 - 60 picofarads, variable C4 3 - 35 picofarads, variable C5 1 microfarad C6 0,0015 microfarad L1 2 spires, fil standard, noyau à air, 3mm de diamètre L2, L4, L5 0,12 microhenry L3 5 spires, 18 fils standards, 3 mm de diamètre, noyau à air L'amplificateur mis en oeuvre avec ces composants, a été utilisé avec un signal de 215 Megahertz, et une alimentation en courant continu d'environ 70 volts. La puissance de sortie s'est élevée à environ 23 Watt avec un signal d'entrée de 1,5 Watt. Bien que la tension de cla- quage drain-source des transistors du type VMP4 soit égale à 60 volts selon le constructeur, la tension de crête sur le drain D2 s'est éle- vée à environ 140 volts par rapport à la terre. Les impédances source- grille et drain-grille ont été mesurées empiriquement. L'inductance L1 et le condensateur C1 ont été ajustés de manière à assurer l'adap- tation de l'impédance à celle de la source, soit 50 ohms. L'inductan- ce L3 et le condensateur C4 ont été également initialement réglés de manière à assurer ltadaptation d'impédance sur celle de la connexion en série des impédances de sortie de la source commune du transistor. Le réglage a par la suite été modifié pour obtenir un meilleur résul- tat. Le condensateur C8 et le niveau de la tension continue appliquée sur la grille G2 du transistar Q2 ont également été ajustés. Bien que le schéma représenté figure 1 mette en oeuvre des transis- tors MOSFET, on peut tout aussi valablement utiliser les transistors récemment mis au point, dits à induction statique. Ces derniers ont été décrits dans un article signé Nishizawa et al, intitulé "Field Effect Transistors Versus Analog Transistor (Static Induction Transis- tor)", et paru dans IEEE Transactions on Electron Devices, ED-22, N24 (avril 1975). On peut en modifiant les circuits de polarisation comme tout Homme de l'Art sait le faire, employer pareillement des transis- -1 2481863 tors bipolaires à haute fréquence. Bien que sur le schéma représenté figure 1, on utilise deux tran- sistors connectés en série de manière à augmenter la tension de fonc- tionnement, on peut augmenter encore cette dernière en interposant un ou plusieurs transistors en série entre les transistors QI et Q2. Chacun de ces transistors additionnels est polarisé au moyen d'un ré- seau connecté à sa grille. Les réseaux de polarisation permettent de répartir la tension continue d'alimentation également entre tout les transistors en série. Un condensateur relie la grille de chaque tran- sistor additionnel et la masse de manière à déterminer le niveau du signal de haute fréquence appliqué à la grille. Lorsqu'il est nécessaire de réduira les dimensions extérieures de l'amplificateur conforme à la présente invention, les deux transis- tors Ql et Q2 peuvent 9tre réunis dans un bottier unique comme repré- senté figure 3A. Les pastilles semi-conductrices 30 et 32 sont reliées entre elles électriquement en série et thermiquement en parallèle. Elles ont une structure verticale avec le drain en bas et une rangée de sources et de grilles intercalées et métallisées sur la surface supérieure. Les contacts de drain, à la base des pastilles 30 et 32, sont re- liés à des pièces métallisées 34 et 36 respectivement; les contacts de source aux pièces métallisées, respectivement 38 et 40e De nombreux fils de liaison sont, en autre, utilisés de manière accrottre les pos- sibilités en courant des pastilles. Initialement dans cette structure en parallèle, les contacts de source des pastilles 30 et 32 étaient reliés à une pièce métallisée communs. Après modification, les pièces métallisées formant la source des pastilles 30 et 32 sont séparées. Les contacts de grille sont reliés à des pièces métallisées respective- ment 42.et 44. La pièce 38 de la pastille 30 est reliée à la pièce 36 de la pastille 32 au moyen d'un fil de cuivre étamé de ,llmm de dia- mètre, Les autres fils de liaison sont des fils dealuminium de 0,025mm de diamètre. L'ensemble constitue un module standard de type 380J0. Le schéma électrique des deux transistors de la figure 3A est repré- senté figure 3B. Puisque l'amplificateur conforme à la présente invention met en oeu- vre des transistors reliés en série, il peut fonctionner à l'aide d'une source de tension continue dealimentation de Vordre de la moitié de 8 2481863 la somme des tensions de claquage de chacun des transistors. Bien que seul un mode de réalisation de l'invention ait été décrit, il est évident que toute modification apportée par l'Homme de l'Art dans le même esprit ne sortirait pas du cadre de la présente invention. 9 248 1863 REVENDICATIONS 1 - Amplificateur haute fréquence, caractérisé en ce qu'il com- prend: - une pluralité de transistors connectés en série ayant chacun une première, une deuxième et une troisième électrodes, ayant une ten- sion de claquage entre les deuxième et troisième électrodes, et incluant: a) une premier transistor (Qi) dont la troisième électrode (51) est reliée à une tension de référence et une deuxième électrode (Dl) reliée à la troisième électrode (52) de l'un (Q2) des autres transistors de ladite pluralité de transistors, et b) un deuxième transistor (Q2) dont la troisième électrode (52) est connectée à la deuxième électrode (Dl) d'un autre transistor (Qi) de ladite pluralité de transistors; - une borne d'entrée (10) reliée à ladite première électrode (G1) du- dit premier transistor (QI) et à laquelle est appliqué le signal haute fréquence à amplifier; - un premier moyen de polarisation en tension continue, relié à la- dite première électrode (G1) du dit premier transistor (Qi), de ma- nière à appliquer une tension continue de polarisation sensiblement égale à ladite tension de référence; - une borne de sortie (12), reliée à ladite deuxième électrode (D2) dudit deuxième transistor (Q2), et sur laquelle est prélevé le si- gnal haute fréquence amplifié pour être appliqué à une charge; - une inductance disposée entre ladite deuxième électrode (D2) dudit deuxième transistor (Q2) et une source de tension d'alimentation; et - chacun des transistors de ladite pluralité de transistors ayant, relié à leur première électrode: a) des moyens pour polariser ladite première électrode à une tension continue de polarisation comprise entre ladite ten- sion d'alimentation et ladite tension de référence, et b) des moyens pour appliquer à cette première électrode un ni- veau prédéterminé du signal haute fréquence, de telle manière que ladite tension d'alimentation dudit am- plificateur soit sensiblement égale à la moitié de la somme desdites tensions de claquage desdits transistors. 2481863 2 - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 1, carac- térisé en ce que ladite première électrode (Gi) dudit premier transis- tor (Qi) est reliée à ladite borne d'entrée (10) par l'intermédiaire de moyens d'adaptation des impédances d'entrée. 3 - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 2, carac- térisé en ce que ladite deuxième électrode (D2) dudit deuxième tran- sistor (Q2) est reliée à ladite borne de sortie (12) par l'intermé- diaire de moyens d'adaptation des impédances de sortie. 4 - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 3, carac- térisé en ce que chacun desdits transistors de ladite pluralité de transistors est un transistor à effet de champ, les premières électro- des étant des grilles, les deuxièmes des drains et les troisièmes des sources* - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens pour appliquer un niveau prédéterminé du signal haute fréquence incluent un condensateur (C8) disposé entre ladite première électrode (G2) dudit deuxième transistor (Q2) et la- dite tension de référence. 6 - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 1, carac- térisé en ce que ladite pluralité de transistors est disposée dans un bottier unique. 7 - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 1, carac- térisé en ce que lesdits premiers moyens de polarisation incluent une inductance (L2) disposée entre lesdites première et troisième électro- des (Gi et Si) dudit premier transistor (Qi). 8 - Amplificateur haute fréquence caractérisé en ce qu'il comprend: - une borne d'entrée (10) à laquelle est appliqué le signal haute fré- quence à amplifier, - un premier transistor (QI) ayant une première électrode (Gl) reliée à ladite borne d'entrée (10), une deuxième électrode (Dl) et une troisième électrode (51) reliée à une tension de référence, - des premiers moyens de polarisation en tension continue reliés à la-- dite première électrode (Gi) dudit premier transistor (Qi) pour po- lariser ce dernier à une tension continue sensiblement égale à la- dite tension de référence; il 24818.63 - un second transistor (Q2) ayant une première et une deuxième élec- trodes (G2,D2) et une troisième électrode (52) reliée à ladite deuxième électrode (Di) dudit premier transistor (Ql), lesdits premier et second transistors (Qi et Q2) ayant chacun une tension de claquage entre les dites deuxième et troisième électrodes; - une borne de sortie (12) reliée à ladite deuxième électrode (D2) dudit second transistor (Q2), sur laquelle est prélevé le signal haute fréquence amplifié pour 8tre appliqué à une charge; - une inductance reliant ladite deuxième électrode (D2) dudit second transistor (Q2) et une source de tension d'alimentation; - des seconds moyens de polarisation en tension continue reliés à la- dite première électrode (G2) dudit second transistor (Q2) pour po- lariser ce dernier à une tension comprise entre ladite tension d'ali- mentation et ladite tension de référence, et - des moyens reliés à ladite première électrode (G2) dudit second transistor (Q2) pour appliquer à celle-ci un niveau prédéterminé du signal haute fréquence; de telle manière que la tension d'alimentation dudit amplificateur soit sensiblement égale à la mpitié de la somme des tensions de claquage des- dits premier et second transistors. 9 - Amplificgteur haute fréquence selon la revendication 8, carac- c acun térisé en ce que/desdits premier et second transistors de ladite plu- ralité de transistors est un transistor à effet de champ, les premiè- res électrodes étant des grilles, les deuxièmes des drains et les troi- sièmes des sources. - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 9, carac- térisé en ce que lesdits transistors à effet de champ sont des tran- sistors à induction statique. 11 - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 9, carac- térisé en ce que lesdits moyens pour appliquer un niveau prédéterminé du signal haute fréquence incluent un condensateur (C8) disposé entre ladite première électrode ( tension de référence. 12 - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 11, ca- ractérisé en ce que lesdits seconds moyens de polarisation incluent un pont diviseur constitué de résistances permettant de diviser la tension d'alimentation. 12 2481863 13 - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 8, carac- térisé en ce que ladite première électrode (G1) dudit premier tran- sistor (Q1) est reliée à ladite borne d'entrée (10) par l'intermédi- aire de moyens d'adaptation des impédances d'entrée. 14 - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 13, ca- ractérisé en ce que ladite deuxième électrode (D2) dudit second tran- sistor (Q2) est reliése à ladite borne de sortie (12) par l'intermédi- aire de moyens d'adaptation des impédances de sortie. - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 14, ca- chacun ractérisé en ce que7desdits premier et second transistors de ladite pluralité de transistors est un transistor à effet de champ, les pre- mières électrodes étant des grilles, les deuxièmes des drains et les troisièmes des sources. 16 - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 15, ca- ractérisé en ce que la tension de référence est la terre et que la tension de polarisation est sensiblement égale à la moitié de la ten- sion d'alimentation. - 17 - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 16, ca- ractérisé en ce que lesdits transistors à effet de champ sont du type perfectionné N canaux. 18 - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 17, ca- ractérisé en ce que lesdits moyens pour appliquer un niveau prédé- terminé du signal haute fréquence incluent en outre une impédance disposée entre la grille et le drain dudit second transistor (Q2). 19 - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 8, carac- térisé en ce que lesdits premier et second transistors sont disposés dans un bottier unique. - Amplificateur haute fréquence selon la revendication 8, carac- térisé en ce que lesdits premiers moyens de polarisation incluent une inductance (L2) disposée entre lesdites première et troisième électro- des (G1 et 51) dudit premier transistor (Q1).