Brevet FR2570900A1 — publié le 19860328

La présente invention concerne les amplificateurs limiteurs de signaux à transistor à effet de champ (TEC) et, plus particulièrement, de semblables amplificateurs fonctionnant au niveau ou au-dessus du niveau de saturation. Les TEC montés en amplificateurs à source commune sont soumis à un courant de grille élevé en présence de signaux de radiofréquence (RF) d'entrée exerçant une surcharge importante. Un signal d'entrée exerçant une surcharge importante est normalement nécessaire pour qu'on puisse obtenir une limitation des signaux à partir d'un amplificateur à TEC. Un courant de grille circule lorsque la tension présente sur la grille du TEC qui est due à la tension d'entrée des signaux est positive par rapport à la tension présente sur la source d'une quantité supérieure à 0,6 V environ (le potentiel de la barrière de Schottky). Un courant de grille n'est pas souhaitable. Puisque l'électrode de grille est extrêmement petite, un courant de grille même relativement petit produit une densité de courant de grille très élevée. Une semblable densité de courant élevée provoque un échauffement thermique suffisant pour vaporiser l'électrode de grille ou provoquer une migration du métal de l'électrode à l'intérieur de la structure du transistor. Cette migration provoque un court-circuit et, finalement, la défaillance du transistor. La solution de la technique antérieure consiste à faire fonctionner l'amplificateur à transistor bien à l'intérieur de sa région linéaire. Ceci empêche d'utiliser l'amplificateur comme limiteur de signaux. L'invention est mise en oeuvre dans un amplificateur à TEC qui comprend un transistor à effet de champ possédant des électrodes de grille, de source et de drain. L'amplificateur comporte également: un moyen permettant de coupler une source de polarisation de drain entre les électrodes de drain et de source; une borne de sortie de signaux amplifiés qui est connectée à l'électrode de drain; un moyen servant à coupler une source de polarisation de drille dans un trajet reliant l'électrode de grille et l'électrode de source; et un moyen servant à appliquer un signal d'entrée à l'électrode de grille. Le signal d'entrée, qui est un signal RF, présente parfois une amplitude suffisante pour que la tension de Ladite électrode de grille soit supérieure à La tension présente sur l'électrode de source d'une quantité telle qu'iL se produit un passage d'électrons de La source à La grille. Selon l'invention, le moyen de couplage qui applique une tension de polarisation de grille comprend une résistance de Limitation de courant à forte impédance, d'au moins plusieurs milliers d'ohms, la résistance étant connectée en série dans Le trajet de polarisation de grille, par LequeL Le passage d'électrons de la source à La grille se produit, et étant destinée à produire une chute de tension qui s'ajoute à la tension de poLarisation dans un sens propre à faire baisser la tension de grille. La description suivante, conçue à titre d'iLlustration de l'invention, vise à donner une meiLleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure I comporte des représentations graphiques de la puissance de sortie RF et du courant de grille en fonction de la puissance d'entrée RF et de la tension dans un amplificateur à TEC de la technique antérieure; La figure 2 est un amplificateur limiteur de signaux à TEC comportant une source de signaux qui emploie une limitation de courant de grille selon un mode de réalisation préféré de l'invention; et les figures 3A et 3B sont des formes d'onde donnant respectivement, en fonction du temps, (a) le signal de grille et (b) la tension de résistance de grille ou le courant de grille. Sur la figure 1, à laquelle on va maintenant se reporter, il est représenté des courbes donnant, en fonction de la puissance d'entrée de radiofréquence CRF): (a) la puissance de sortie RF (courbe 12) d'un amplificateur de puissance à source commune à TEC classique et (b) le courant de grille passant dans un semblable amplificateur (courbe 14). Dans la région linéaire 12a de la courbe 12 (la région située à gauche de la ligne 16 en trait interrompu), il n'y a pas de courant de grille, puisque la tension grille-source (la somme de la polarisation de repos de la grille et de la tension d'entrée RF de charge) reste négative. (Dans les explications relatives au fonctionnement du circuit classique, on ignore volontairement la tension de la barrière de Schottky.) Dans la région de la courbe 12 se trouvant à droite de la ligne 16, le signal RF d'entrée s'élève jusqu'à un niveau tel que la tension grille-source devient positive pendant au moins une partie du cycle des signaux de radiofréquence. Ainsi, avec L'augmen- tation de La puissance d'entrée, et par conséquent l'augmentation de la tension d'entrée, un courant de grille se met à croître de manière non souhaitable, comme indiqué par la courbe 14 tandis qu'une puissance de sortie continue à s'élever, de manière non souhaitable, en fonction de la puissance d'entrée. Ceci est indiqué par la partie 12b de La courbe située à droite de la ligne 16 en trait interrompu. La partie 12c de la courbe et La courbe 15 se rapportent à l'inven- tion. Sur la figure 2, à laquelle on va maintenant se reporter, il est représenté un circuit amplificateur de puissance à TEC selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Une source 20 de signaux RF est connectée entre la terre du circuit et un condensateur 22 de couplage RF. Le condensateur 22, qui a une capacité de l'ordre de quelques picofarads (pF) (5 pF par exemple), est connecté à la grille G d'un TEC 30 de puissance, qui peut être un TEC à l'arséniure de gallium (GaAs). Un TEC donné à titre d'exemple est "HXTR-2201" fabriqué par la société Hewlett Packard, des Etats-Unis d'Amérique. La source S du transistor 30 est connectée à la terre du circuit. le drain D du transistor 30 est connecté en série avec un condensateur 32 de couplage RF et ta borne de sortie 34. Le drain D du transistor 30 est également connecté en série avec une bobine d'arrêt RF 36 et la combinaison parallèle d'un condensateur de dérivation RF 38 connecté à la terre du circuit et une source de polarisation continue +V. La source de polarisation +V peut offrir typiquement +5 V par rapport à la terre du circuit. L'impédance de la bobine d'arrêt 36 peut être supérieure à I 000 ohms par exemple. En ce qui concerne la grille G, elle est connectée en série avec une bobine d'arrêt RF 40, une résistance 42 de limitation de courant et La combinaison paraLlèLe d'un condensateur 44 de dérivation RF et une source de poLarisation de grille continue -V. La source de poLarisation de grille -V peut offrir typiquement -2 V par rapport à La terre du circuit. La connexion grille-source à l'intérieur.d'un TEC tel que le TEC 30 peut être estimée comme étant celle d'une diode 50, qui est représentée en trait interrompu de façon que son anode soit connectée à la grille et sa cathode à la source. En l'absence de tout signal d'entrée sur la grille G, cette dernière se trouve à un potentiel de -V, et la diode 50 est donc polarisée en sens inverse. Ainsi, le seul courant de grille est dû à la fuite de courant de polarisation inverse, qui est un passage d'électrons allant de la grille à la source et sortant par la source. Pour permettre une meilleure compréhension du fonctionnement du circuit de la figure 2, on ignorera volontairement les fuites en l'absence de signaux d'entrée. Si la tension présente dans la grille G s'élève au-dessus de la tension existant au niveau de la source, à savoir la terre du circuit dans le cas considéré, d'une quantité correspondant au potentiel de la barrière de Schottky valant +0,6 V, la diode 50 devient polarisée en sens passant et commence à conduire un courant. La source 20 de signaux RF est du type produisant des signaux RF qui, pendant au moins une partie du cycle RF, peuvent être plus grands, en ce qui concerne la tension positive par rapport à la terre du circuit, que l'amplitude de la tension de polarisation négative -V à laquelle est ajouté le potentiel de 0,6 V de la barrière de Schottky. Pour un circuit donné à-titre d'exemple dans lequel -V vaut -2,0 V, la source 20 de signaux RF produit, pendant au moins une partie de son cycle, une valeur de tension supérieure à 2,6 V. En l'absence de la résistance 42, un courant grille-source, circule dans le TEC 30 en provoquant le problème ci-dessus mentionné relatif à l'échauffement de la jonction grille-source et à la migration métallique qui s'ensuit. Toutefois, en raison de la présence de la résistance 42, lorsque la tension de sortie de la source 20 devient suffisamment positive pour que la grille G se trouve à 0,6 V ou au-dessus, un passage d'électrons de la source S à La grille G se produit. Ce courant d'électrons sort de La grille G via La bobine d'arrêt 40, La résistance 42 et atteint La source de polarisation de grille -V. Le passage d'éLec- trons dans la résistance 42 fait que cette dernière tend à se comporter comme une source de tension dont La polarité est telle qu'indiqué par les signes + et - représentés sur La figure 2, c'est-à-dire une chute de tension s'ajoutant à celle de la source de polarisation de grille -V, qui ajoute donc directement à la source de polarisation de grille une quantité qui est fonction de la valeur de la tension d'entrée RF se trouvant au-dessus de la tension de grille-source de 0,6 V. Ainsi, en réalité, la grille ne reste pas au-dessus du niveau de 0,6 V pendant une durée appréciable avec une tension de signal positive importante. Tout ceci est représenté sur les figures 3a et 3b. Sur les figures 3a et 3b, l'axe horizontal représente le temps. Sur la figure 3a, l'axe vertical représente la tension de grille. Sur la figure 3b, l'axe vertical représente la tension aux bornes de la résistance de polarisation 42, laquelle est proportionnelle au courant de grille ou au débit d'électrons dans la grille. le premier cycle 50 des signaux RF de la figure 3a se trouve bien au- dessous de la tension de 0,6 V de la barrière de Schottky. Ainsi, comme représenté sur la partie 52 de la figure 3b, il n'existe aucun courant de grille et, par conséquent, aucune tension de la résistance de polarisation. On suppose maintenant que l'amplitude crête-à-crête du signal RF venant de la source 20 augmente jusqu'à une valeur crête-à-crête de 5,2 V et reste supérieure à cette valeur (soit deux fois la somme du niveau de polarisation de 2 V et de la tension de 0,6 V de la barrière de Schottky). Comme représenté sur la figure 3a, lorsque le signal RF de la source 20 augmenta au-dessus de 0,6 V, comme représenté par le cycle RF 54 et les deux cycles qui lesuivent immédiatement, la ligne 56 de la tension de polarisation de grille commence à diminuer en raison du passage d'électrons au travers de la résistance 42 (figure 2). IL n'y a pas une immédiate diminution de la valeur en raison de la constante de temps R-C du condensateur 22 et de la résistance 42 (figure 2). Toutefois, en quelques cycles du signal RF, la courbe de polarisation se décale vers une valeur inférieure telle que les crêtes supérieures de la tension RFvont simplement jusqu'au niveau de +0,6 V de la barrière de Schottky, o un débit d'électrons résiduel de la grille G (figure 2) est simplement présent (de l'ordre de moins de 0,1 pmA). La figure 3b montre une courbe représentative de la tension négative, ou du courant, associée à la résistance de pola- risation 42, faisant initialement suite au cycle RF 54 de la figure 3a, et existant pendant les cycles qui suivent immédiatement le cycle 54. L'élévation de chaque cycle de la courbe de la figure 3b, en particulier le cycle 62, suit L'élévation de chaque cycle RF de La figure 3a. La retombée du cycle 64 par exemple est ralentie en proportion de la constante de temps R-C du condensateur 22 et de la résistance 42. Comme ci-dessus mentionné, lorsque la tension de polarisation de grille s'est stabilitée, il existe un débit d'élec- trons de grille résiduel minimal, comme représenté à la partie droite de la figure 3b. La valeur particulière choisie pour la résistance 42 est une fonction du courant de grille attendu, lequeL est une fonction de la surcharge de signaux par la source 20. Idéalement, la valeur de la résistance 42 doit être très grande pour offrir la plus grande limitation possible. Toutefois, comme précédemment mentionné, avec des signaux d'entrée faibles ou aucun signal d'entrée de sorte que le TEC 30 est polarisé en sens non passant, il existe un débit de courant allant de la source S à la grille G (ou un passage d'électrons de la grille G à la source S). Le courant ou le débit d'électrons traverse la résistance 42 et fait en sorte que celle-ci produit une polarisation s'opposant à celle produite par la source de polarisation -V, ceci abaissant de manière non souhaitable la pola- risation de grille totale. En compromis, il est typiquement choisi une résistance 42 de 33 000 ohms pour une application donnée à titre d'exemple. Sur la figure 1, les courbes résultantes sont les courbes 12a-12c et 15. 8ien entendu, L'homme de L'art sera en mesure d'imaginer, à partir du circuit dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nuLlement Limitaif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de L'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit amplificateur limiteur de signaux à TEC, caractérisé en ce qu'il comprend: un transistor à effet de champ (30) possédant des électrodes de grille (G), de source (S) et de drain (D); un moyen (36) permettant d'appliquer une tension de polarisation de drain (+V) entre lesdites électrodes de drain et de source; une borne (34) de sortie de signaux amplifiés qui est connectée à l'électrode de drain par un moyen de connexion approprié (32); un moyen (40) servant à appliquer une tension (-V) de polarisation de grille dans un trajet reliant l'électrode de grille et l'électrode de source; et un moyen (22) servant à appliquer un signal d'entrée à l'électrode de grille via un moyen de connexion approprié (22); o ledit signal d'entrée est un signal de radiofré- quence (RF) dont l'amplitude fait parfois en sorte que la tension présente sur l'électrode de grille est supérieure à la tension présente sur l'électrode de source d'une quantité telle qu'un débit d'électrons se produit de la source à la grille; et o le moyen d'application de tension de polarisation de grille comporte une résistance (42) de limitation de courant à impédance élevée d'au moins plusieurs milliers d'ohms qui est connectée en série dans ledit trajet de polarisation de grille et qui répond au débit d'électrons de la grille vers la source en produisant une chute de tension qui s'ajoute à ladite tension de polarisation de grille dans un sens propre à abaisser ladite tension de grille, afin de réduire ledit débit d'électrons de la source vers la grille. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'application de tension de polarisation de grille comprend en outre une bobine d'arrêt RF (40) connectée en série dans ledit trajet. 3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit TEC est un TEC à GaAs.