Brevet FR2523782A1 — publié le 19830923

Ia présente invention concerne les circuits amplifi- cateurs. Il y a ou un effort continu pour augmenter la linéa- rité, la dynamique, la stabilité et le rendement de conversion d'énergie des amplificateurs de puissance Avec l'utilisation croissante de ces dispositifs à des fréquences plus élevées, notamment en hyperfréquences, il est nécessaire d'améliorer leur rendement. Le brevet US 3 961 280 décrit un circuit amplifica- teur ayant un rendement amélioré Ce circuit comprend un ensem- ble de sources d'énergie séparées destinées à générer des ten- sions différentes, et des moyens pour changer, par bonds, les tensions d'alimentation qui sont appliquées à l'entrée de col- lecteur (ou de drain) d'un élément amplificateur à transistor, en fonction de l'amplitude instantanée du signal d'entrée Le changement de l'alimentation de collecteur permet ainsi à l'élément amplificateur de fournir approximativement le signal de sortie maximal pour un signal d'entrée d'amplitude variable. Cependant, une telle configuration devient volumineuse et d'une mise en oeuvre malcommode aux fréquences élevées, et il' est extr 4 mement difficile de suivre l'amplitude instantanée d'un signal d'entrée hyperfréquence. Une autre configuration est décrite dans le brevet US 3 984 783, qui concerne un circuit amplificateur capable de procurer le gain et la linéarité d'un amplificateur en classe A, tout en procurant également le rendement de conversion d'énergie d'un amplificateur en classe B ou C Comme il est indiqué, le circuit comprend un réseau de polarisation et un élément de commutation, et ce dernier réagit à l'amplitude du signal d'entrée et modifie le réseau de polarisation de façon à permettre à l'amplificateur de fonctionner dans l'une des classes A, B ou C, en fonction de l'amplitude du signal d'en- trée Cependant, comme la configuration décrite précédemment, cette configuration devient inutilisable en pratique en hyper- fréquence, lorsque l'amplitude du signal d'entrée change rapi- dement en fonction du temps. Les propositions faites antérieurement ne résolvent pas le problème-qui consiste à augmenter le rendement de con- version d'énergie d'amplificateurs de puissance qui fonction- nent en hyperfréquence. Conformément à l'invention, un circuit amplificateur à transistor à effet de champ (TBC) destiné à fonctionner dans un mode linéaire correspondant à la classe A pour produire un signal amplifié variant dans le temps, sous la dépendance d'un signal d'entrée variant dans le temps, comprend des moyens de détection d'enveloppe destinée à élaborer un signal d'envelop- pe lié au signal d'entrée, et des moyens de commande de grille destinés à élaborer un signal de commande de grille prévu pour 8 tre appliqué à l'amplificateur à TBC en tant que tension d'entrée de grille, le signal de commande de grille étant re- présentatif de la somme du signal d'enveloppe et d'une tension de grille constante. Dans l'invention, on utilise un détecteur d'envelop- pe de signal pour commander de façon dynamique la tension d'alimentation de grille, en association avec l'enveloppe du signal d'entrée L'invention procure un rendement énergétique accru en hyperfréquence en commandant la tension d'alimentation de grille par l'enveloppe du signal d'entrée, au lieu de l'am- plitude instantanée du signal d'entrée comme il a été proposé antérieurement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels les éléments analo- gues sont désignés par des références analogues, et sur les- quels s la figure 1 représente un circuit amplificateur k TZO fonctionnant en classe à dynamique, ce qu'on désigne par Cmlasse Au, qui correspond à l'invention; la figure 2 représente un modèle de TEC idéalisé faisant appara tre les lignes de charge et les signaux de ten- sion et de courant pour le fonctionnement en classe A connue (lignes continues) et en classe A correspondant à l'invention (lignes en tirets); et la figure 3 montre une comparaison du rendement de puissance a Joutée d'un amplificateur à TBC en classe A corres- pondant à l'invention, par rapport à un amplificateur à TEC en classe A, de type connu. Les techniques de modulation et de multiplexage uti- lisées dans de nombreux systèmes de télécommunication condui- sent à des àignaux ayant des enveloppes qui varient fortement dans le temps C'est le cas, par exemple, dans des systèmes en multiplex de fréquences qui utilisent soit des porteuses mul- tiples, soit des signaux à bande latérale unique (BLU), et dans des systèmes numériques faisant une bonne utilisation de la largeur de bande qui emploient la modulation d'amplitude en quadrature (MAQ) Un amplificateur de puissance employé dans l'un quelconque de ces systèmes doit fonctionner avec un degré raisonnable de linéarité On parvient à ceci en respectant une marge de retrait de la puissance de sortie moyenne de l'ampli- ficateur par rapport à la saturation, de façon à restreindre la plage des variations d'enveloppe du signal à la région d'amplification pratiquement linéaire Dans les amplificateurs de puissance à transistor à effet de champ (TBEO) en classe A, la puissance de polarisation continue est fondamentalement in- dépendante du niveau de signal Le rendement de l'amplificateur est ainsi réduit par rapport à sa valeur de crête (saturation) d'une quantité égale à la marge respectée Une telle réduction de rendement entra ne une pénalité de puissance importante qui pourrait être inacceptable, en particulier dans un satellite, dans lequel la puissance continue est coûteuse et en quantité limitée. L'invention procure une configuration pour améliorer le rendement d'amplificateurs de puissance à TEC en classe A fonctionnant avec des signaux à enveloppe variable Cette con- figuration, appelée classe, est représentée sur la figure 1. Dans les configurations d'amplificateur en classe A de l'art antérieur, un signal d'entrée vi(t) serait appliqué directe- ment en tant que signal d'entrée de source à un amplificateur à TC 14, dans lequel, conformément aux caractéristiques du TEC, une version amplifiée de ce signal, désignée par v (t), appara Xtrait à la sortie de l'amplificateur à TEC 14 La puis- sance de polarisation continue est déterminée à la fois par une tension de polarisation de drain D et par une tension de polarisation de grille 3, qui sont respectivement fournies par une source de tension de polarisation de drain 18 et par une source de tension de polarisation de grille 16. Dans ce mode de réalisation de l'invention, au lieu d'appliquer directement le signal d'entrée vi(t) à l'amplifi- cateur à TE O 14, on applique ce signal en tant que signal d'en- t 5 trée à un coupleur directionnel qui divise le signal en deux composantes: une composante d'amplitude relativement grande et une composante d'amplitude relativement faible Ia plus petite composante, qui peut par exemple etre constituée par la puissance de signal d'entrée réduite de 10 à 20 d B, est ensuite appliquée en tant que signal d'entrée à un détecteur d'envelop- pe 12 Le détecteur d'enveloppe 12 extrait le signal d'envelop- pe à partir du signal d'entrée vi(t) Un exemple de configura- tion pour le détecteur d'enveloppe 12 comprend une diode suivie par une combinaison en parallèle d'une résistance et d'un con- densateur, la combinaison RC parallèle devant Atre choisie de façon à permettre au détecteur d'enveloppe 12 de suivre l'en- veloppe d'un signal d'entrée hyperfréquence Bn particulier, du fait que le signal d'entrée vi(t) peut 4 tre défini par la rela- tion S vi(t) = Vi(t)cons t + e(t)} ( 1) dans laquelle Vi(t) est l'enveloppe d'entrée variant dans le tempe et lcot + G(t)}est la phase d'entrée variant dans le temps, le détecteur d'enveloppe 12 élimine par filtrage l'in- formation de phase du signal d'entrée vi(t) et il produit en sortie, comme le montre la figure 1, le signal d'enveloppe d'en- trée Vï(t) La plus grande composante du signal d'entrée vi(t), qui est obtenue SOUS la forme d'un signal de sortie du coupleur directionnel 10, est appliquée ensuite en tant que signal d'en- trée à l'amplificateur à TBC 14, de la manière décrite précé- demment en relation avec les configurations de l'art antérieur. Le signal d'enveloppe d'entrée Vi(t) provenant du détecteur d'enveloppe 12 est ensuite appliqué en tant que si- gnal d'entrée à la source de tension de polarisation de grille 16, qui additionne le signal d'enveloppe Vi(t) à une tension de polarisation continue de grille EGO et qui produit en sortie un signal de commande de polarisation de grille EG(t), avec EQ(t) 8 EGO + Vi(t) La tension de polarisation de grille EG(t) sera définie de façon plus détaillée en relation avec la figure 2. Comme mentionné précédemment, la source de tension de polarisation de drain 18 applique la tension nécessaire à l'en- trée de drain de l'amplificateur à TEC 14 pour permettre à ce dernier de fonctionner en classe A, c'est-à-dire pour permettre au courant de sortie de circuler pendant le cycle complet du courant d'entrée Cependant, conformément au fonctionnement de l'amplificateur à TEC 14 dans le mode de la classe A qui cor- respond à l'invention, la dépendance de la tension de commande de polarisation de grille EG(t) vis-à-vis du temps fait que le courant de drain ID(t) provenant de la source 16 fluctue éga- lement d'une manière proportionnelle à l'enveloppe Vi(t) du signal d'entrée De ce fait, un condensateur 20 est incorporé dans le circuit de polarisation de drain pour absorber la com- posante fluctuante du courant de drain, tout en maintenant une tension de polarisation de drain ED presque constante. Comme le montre la figure 1, l'amplificateur à TEC 14 produit ensuite en tant que signal de sortie un signal va- riant dans le temps, v O (t) = V O (t)cos { wt + e(t)}, dans le- quel le terme V O (t) est défini comme étant l'enveloppe de sor- tie variant dans le temps et le terme { wt + O(t)j est défini comme étant la phase de sortie variant dans le temps Confor- mément au fonctionnement en classe A défini ci-dessus de l'am- plificateur à TEC 14, le signal de sortie vo(t) existe pendant la totalité du cycle du signal d'entrée vi(t). Ia figure 2 montre les caractéristiques de tension de grille v G, de courant de drain i D et de tension de drain vo pour un modèle de TEO idéalisé qu'on fait fonctionner à la fois en classe A classique et dans la classe À qui correspond à l'invention Dans un but d'illustration, les caractéristiques sont représentées pour un instant particulier auquel le signal d'enveloppe d'entrée Vi(t) est égal à Vi, du fait que la re- présentation des caractéristiques en fonction de temps compli- querait inutilement la figure En association avec la repré- sentation de la figure 2, Vp est la tension de pincement de grille, V est la tension de drain maximale admissible et I est le courant de drain maximal, qui est obtenu pour une ten- sion de grille égale à zéro La tension de polarisation conti- nue de grille S(t), mentionnée précédemment, qui est nécessai- re pour faire fonctionner le TEC en classe A ou en classe A est définie par les relations respectives: I (t) =-V /2 = constante, ( 2) p 4 (t) =Vp + Vi(t) ( 3) dans lesquelles Vi(t) est l'enveloppe de tension de signal d'entrée mentionnée précédemment, et dans lesquelles on note que EGO est égal à -Vp Ia tension de polarisation de drain BD et la résistance de charge RF, RL, sont identiques pour les deux classes et sont définies par: = Vm= 2 et ( 4) R Vm/Im ( 5) Une paire de lignes de charge 22 et 24, des signaux de tension d'entrée 26 et 28 et des signaux de tension et de courant de sortie 30, 32 et 34 pour la classe A et la classe A sont repré- sentés sur la figure 2, sur laquelle les signaux relatifs à la classe A sont représentés avec des lignes continues tandis que les signaux relatifs à la classe A sont représentés avec des lignes en tirets La pente N de chaque ligne de charge 22 et 24 est égale à -1/RL La ligne de charge 24 pour la classe A monte et descend parallèlement à elle-même, comme l'indiquent les flèches représentées sur la figure 2, sous l'effet de va- riations de la tension de commande de polarisation de grille EG(t) qui est associée au signal d'enveloppe d'entrée Vi(t). Ia ligne de charge 22 pour la classe A de l'art antérieur de- meure fixe Ainsi, le point de fonctionnement sur la ligne de charge du mode de fonctionnement en classe A correspondant à l'invention réagit aux variations de l'enveloppe du signal d'entrée vi(t), tandis que le point de fonctionnement de la aclasse A classique ne réagit pas du tout à ces variations. Ia puissance de sortie RF Po(t) d'un amplificateur à TEOC, qui est fonction du temps à cause des variations de l'enveloppe du signal, est définie par la relations: PO(t) = VO(t)IO(t)/2 ( 6) dans laquelle Io(t) = Vo(t)/P est la composante de fréquence fondamentale du courant de drain L'enveloppe de sortie nor- malisée est définie par: r(t) = Vo(t)/Vo max ( 7) On note sur la figure 2 que Vo ma = Vm/2, et en employant les équations ( 6) et ( 7), on peut définir la puissance RF de sortie Po(t) de la manière suivante s PO(t) = r 2 (t)Vm Im/8 ( 8) Ia puissance continue de drain PD(t), qui est également fonc- tion du temps,est définie par s PD(t) = BDID(t) ( 9) le rendement de puissance ajoutée q ajoutée' qui est le paramètre auquel on s'intéresse dans le cadre de l'invention, est défini par la relation s ( 10) t a Joutée = (Jo i)/PD' dans laquelle i est la puissance moyenne du signal d'entrée vi(t) On définit un gain en puissance G par: G = %/i ( 11) O i On peut déterminer, en considérant la figure 2, que pour la même puissance de sortie Po(t), la classe A comme la classe utilisent la même enveloppe d'entrée Vi Les gains en puissan- ce de oes classes sont donc identiques, c'est-à-dire qu'on a: = GA ( 12) I Les rendements de puissance ajoutée ajoutée et eol e sont représentés graphiquement sur la figure 3 en fonction du gain en puissance respectif GA et G, à la fois pour un signal d'entrée à une seule porteuse et pour un signal d'entrée à porteuses multiples On notera que le gain en puis- sance, GA ou 1, dépend du TEB particulier utilisé Pour un signal d'entrée à une seule porteuse, le signal d'enveloppe associé est égal à une constante Vi, c'est-à-dire qu'on a: vi(t) = Vicos {'ut + @(t)} ( 13) Dans les oonditions-d'attaque maximales, Vi est égal à Vp/2. Ainsi, le signal de commande de polarisation de grille EG(t) d'un amplificateur à TECO en classe A sera également égal à une constante s =Vp + Vi =-V /2 ( 14) Par conséquent, pour un signal d'entrée à une seuleporteuse dans les conditions d'attaque maximales, un amplificateur à TBC en classe A fonctionnera exactement comme un amplificateur en classe A, c'est-à-dire que chaque mode de fonctionnement aura le même rendement de puissance ajoutée ta Joutée en fonc- tion du gain en puissance G Cette caractéristique est repré- sentée graphiquement par un ligne en tirets sur la figure 3. Lorsque le signal d'entrée vi(t) est un signal à porteuses multiples, le rendement de puissance ajoutée du mode de fonctionnement en classe A diminue notablement, comme on le voi en considérant le tracé en trait continu sur la figure 3. Par exemple, un amplificateur en classe A qui présente un gain en puissance d'environ 6,7 d B aura in rendement de puissance ajoutée ' ajoutée d'environ 40 % dans le cas de l'amplifica- tion d'un signal d'entrée à une seule porteuse dans les con- ditions deattaque maximales, comme l'indique le point 1 sur la figure 3 Cependant, lorsqu'on utilise un signal d'entrée à porteuses multiples en respectant en sortie une marge de 4 d B par rapport à la saturation, le rendement de puissance a Joutée en classe A tombe à environ 15 % pour le m&me gain en puissance de 6,7 d B, comme l'indique le point 2 sur la figure 3 Cependant, en employant un amplificateur à TEC en classe conforme à l'invention, le rendement de puissance ajoutée pour un gain en puissance de 6,7 d B s'élève à environ 27 %, comme le montre le point 3 sur la figure 3 Par conséquent, tout en ayant le même gain qu'un amplificateur à TEC en classe A clas- sique, un amplificateur à TEC en classe A conforme à l'inven- tion procure un rendement de puissance ajoutée qui est supé- rieur de plus de 50 % à celui d'un amplificateur en classe A, indépendamment du gain. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent ttre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Circuit amplificateur à transistor à effet de champ (TEC) destiné à fonctionner en un mode de classe A liné- aire pour produire un signal amplifié variant dans le temps sous la dépendance d'un signal d'entrée variant dans le temps, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détection d'en- veloppe ( 12) destinés à élaborer un signal d'enveloppe Vi(t) lié au signal d'entrée vi(t), et des moyens de commande de grille ( 16) destinés à élaborer un signal de commande de gril- le prévu pour 4 tre appliqué à l'amplificateur à TBC ( 14) en tant que tension d'entrée de grille, le signal de commande de grille étant représentatif de la somme du signal d'enveloppe et d'une tension de grille constante (EGO)* 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur à TBC comprend une borne d'entrée de source destinée à recevoir le signal d'entréeet il existe une source de tension de polarisation de drain ( 18) destinée à appliquer un signal de tension de polarisation de drain (%) à une borne d'entrée de drain de l'amplificateur à TEC, et un condensateur ( 20) branché entre la sortie de la source de ten- sion de polarisation de drain et un plan de masse, pour absor- ber les variations dans le temps qui apparaissent dans un cou- rant provenant de la source de tension de polarisation de drain. 3 Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un coupleur directionnel ( 10) destiné à élaborer à partir du signal d'entrée un premier signal de sor- tie et un second signal de sortie plus faible, la somme des premier et second signaux de sortie étant égale à la valeur du signal d'entrée, et le premier signal de sortie est appliqué à la borne d'entrée de source de l'amplificateur à TBC tandis que le second signal de sortie est appliqué en tant que signal d'entrée aux moyens de détection d'enveloppe. 4 Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second signal de sortie a une valeur inférieure d'environ 10 d B à environ 20 d B au signal d'entrée. Circuit selon l'une quelconque des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que la tension de grille constan- te est égale à une valeur négative correspondant à une tension de pincement prédéterminée (Vp) de l'amplificateur à TEC, et la tension de polarisation de drain est égale à la moitié d'une tension de drain maximale admissible prédéterminée.