Brevet FR2713857A1 — publié le 19950616

AMPLIFICATEUR ADAPTÉ À L'UTILISATION DANS UN RADIOTÉELÉPHONE De façon globale, la présente invention concerne les amplificateurs et, de façon plus spécifique, des amplificateurs de puissance utilisant des transistors tels 5 que des transistors MOSFET (transistor à effet de champ à semi-conducteur d'oxyde de métal) selon une configuration en miroir de courant. Dans le passé, les amplificateurs de puissance pour des dispositifs de communication radio tels que des radiotéléphones utilisaient des transistors bipolaires. La façon la plus simple et la moins coûteuse d'élaborer un amplificateur serait de monter la matrice du transistor bipolaire dans un emballage industriel standard pouvant être monté sur une surface en matière plastique et de souder l'emballage sur une plaque de circuit. Un problème est soulevé, rendant peu pratique l'utilisation de l'emballage standard à montage en surface dans de nombreuses applications d'amplificateur de puissance car les transistors bipolaires possèdent un20 signal de sortie et un radiateur sortant par un côté de la matrice du transistor bipolaire et des signaux d'entrée et des masses R.F. sortant de l'autre côté de la matrice du transistor. Les conditions pour constituer un circuit électrique de faible perte pour le signal de sortie et un circuit thermoconducteur pour la dissipation de chaleur sur un côté de la matrice, et des circuits électriques de faible perte pour les signaux d'entrée et des circuits électro-conducteurs pour les masses R.F. de l'autre côté de la matrice nécessitaient l'utilisation d'un processus de fixation de matrice embarquée et un processus de liaison câblé pour coupler les transistors à une plaque de circuit. Une condition dans la conception d'un amplificateur est d'établir le courant de polarisation à un niveau optimum pour obtenir, parmi tant d'autres, le gain, la puissance de sortie et l'efficacité requis. De plus, une condition dans des applications de radiotéléphone est que la puissance de sortie puisse être commandée. Pour une bonne efficacité en puissance, il est avantageux de commander la puissance de sortie en faisant varier le courant de polarisation. Le courant de polarisation est sensible aux variations d'un signal de tension de commande. L'intervalle de commande de la puissance de sortie pour10 chaque étage de l'amplificateur de puissance est limité du côté haut par le gain d'amplificateur et du côté bas par l'isolation entre l'entrée et la sortie lorsque la tension de commande, et ainsi le courant de polarisation, sont établis à zéro. Dans cet intervalle, la puissance de sortie est à peu près proportionnelle au carré du courant de polarisation. Un problème potentiel survient lorsque le courant de polarisation ne peut être maintenu à sa valeur optimale à cause de l'extrême sensibilité du courant de polarisation aux variations des paramètres du circuit. Dans un amplificateur à un seul étage, le problème de la sensibilité peut être évité en utilisant une boucle de commande de puissance de sortie pour compenser, de façon automatique, les dérives des paramètres. Cependant, seul l'étage final d'un amplificateur bipolaire à plusieurs25 étages peut être commandé, de façon optimale, par une boucle de commande de puissance de sortie. Par conséquent, un amplificateur à plusieurs étages ne peut être correctement polarisé dans chaque étage en son point optimum de fonctionnement si les paramètres du circuit sont30 décalés. De plus, lors de très fortes variations de paramètre, l'étage pilote de l'amplificateur à plusieurs étages risque d'être endommagé par une sur-dissipation provoquée par un trop fort courant de polarisation. Le courant de polarisation est lié, de façon exponentielle, aux variations de la tension de commande lors de l'utilisation de transistors bipolaires. Cette relation exponentielle a provoqué des problèmes potentiels dus à la haute sensibilité du courant de polarisation aux petites variations des paramètres du circuit. En particulier, le courant de polarisation est tout d'abord sensible aux variations de la tension de seuil au-dessus de laquelle le courant de polarisation commence à passer. Heureusement, avec des transistors bipolaires et comme les seuils dépendent fortement du potentiel intégré d'une jonction p-n de silicium, la variation du courant de polarisation due aux variations de ce paramètre est suffisamment faible. Cependant, la fixation coûteuse de la matrice embarquée et la liaison câblée ne pouvaient être éliminées. Il serait avantageux d'obtenir un amplificateur à un ou plusieurs étages utilisant des dispositifs pouvant être facilement emballés et possédant une puissance de sortie pouvant être commandée par variation du courant de polarisation, avec une faible sensibilité du courant de20 polarisation aux variations de seuil du signal de commande. La Figure 1 est une illustration sous forme de synoptique d'un système de communication par radiotéléphone pouvant utiliser la présente invention; la Figure 2 est une illustration sous forme de synoptique d'un émetteur/récepteur selon la présente invention; et la Figure 3 est une illustration détaillée d'un amplificateur de puissance selon la présente invention. La Figure 1 est une illustration sous forme de synoptique d'un système de communication par radiotéléphone. Le système de communication par radiotéléphone 100 comprend un émetteur/récepteur à distance 101 envoyant et recevant des signaux R. F. vers et à partir de radiotéléphones dans une zone géographique fixée. Le radiotéléphone 103 est un radiotéléphone contenu dans la zone géographique. Le radiotéléphone 103 comprend une antenne 105, un récepteur 107, l'émetteur 109, un élément de commande 111 et une interface d'utilisateur 113. Lors de la réception de signaux R.F., le radiotéléphone 103 reçoit les signaux R.F. via l'antenne 105. L'antenne 105 convertit les signaux R.F. reçus en signaux R.F. électriques pour le récepteur 107. Le récepteur 107 démodule les signaux R.F. électriques et récupère les données émises sur les signaux R.F. et génère les données vers l'élément de commande 111. L'élément de commande 111 formate les données en une voix ou information reconnaissable pour l'interface d'utilisateur 113.15 L'interface d'utilisateur 113 communique l'information ou la voix reçue à un utilisateur. De façon usuelle, l'interface d'utilisateur 113 comprend un affichage, un clavier, un haut-parleur et un microphone. Lors de l'émission de signaux R.F. du radiotéléphone 103 à20 l'émetteur/récepteur à distance 101, l'interface d'utilisateur 113 émet des données d'entrée d'utilisateur vers l'élément de commande 111. L'élément de commande 111 comprend, de façon usuelle, un microprocesseur, une mémoire et un circuit de commande d'amplificateur de puissance.25 L'élément de commande 111 formate l'information obtenue de l'interface d'utilisateur 113 et la transmet à l'émetteur 109 pour une conversion en signaux R.F. modulé via la ligne de données signal de données 115. De plus, l'élément de commande 111 fournit à l'émetteur 109 un signal de commande30 117 présentant un certain niveau de tension. Le niveau de tension du signal de commande 117 détermine la puissance de la sortie de signal R.F. de l'émetteur 109. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, l'émetteur 109 contient une configuration d'amplificateur de puissance à plusieurs35 étages. La tension du signal de commande 117 est déterminée par un circuit de commande contenu dans l'élément de commande 111. Le circuit de commande utilise le signal de rétroaction de sortie de puissance 119 pour déterminer la tension correcte du signal de commande 117. La Figure 2 est une illustration sous forme de synoptique de l'émetteur 109 illustré précédemment sur la Figure 1. Dans ce cas, l'émetteur 109 comprend le premier module d'amplificateur de puissance 201, un second module d'amplificateur de puissance 203 et un décaleur de niveau10 205. Le signal de données 115 généré par l'élément de commande 111 est entré dans le premier module d'amplificateur de puissance 201. Le courant de polarisation traversant le premier module d'amplificateur de puissance 201 est lié, de façon linéaire, au courant de15 commande dérivé de la tension du signal de commande 117. Comme précédemment décrit dans les Brevets U.S. N 5 220 290 et N 5 160 898, tous deux de l'inventeur Gregory R. Black et tous deux attribués au même titulaire du présent dépôt, le décaleur de niveau 205 décale la tension du20 signal de commande 117 d'une valeur prédéterminé avant d'entrer le signal de commande dans le second module d'amplificateur de puissance 203. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, la tension du signal de commande est décalée vers le bas de 0,7 V. La sortie amplifiée de25 données du premier module d'amplificateur de puissance 201 sur la ligne de sortie 207 est entrée dans le second module d'amplificateur de puissance 203. Le second module d'amplificateur de puissance 203 possède un courant de polarisation pour commander le niveau d'amplification du30 second amplificateur de puissance. Le second courant de polarisation est lié, de façon linéaire, au second courant de commande. Le second courant de commande est dérivé de la tension de commande décalée du signal de commande 117 généré par le décaleur de niveau 205. Le second signal35 amplifié de données 209 est généré par le second module d'amplificateur de puissance 203. Le second signal amplifié de données 209 contient les données R.F. modulées et amplifiées pour une sortie sur l'antenne 105 de la Figure 1. De plus, le second signal amplifié de données 209 est réinjecté dans l'élément de commande 111 de la Figure 1 via le signal de rétroaction de sortie de puissance 119. Le signal de rétroaction de sortie de puissance 119 indique le niveau de sortie de puissance du second module d'amplificateur de puissance 203 au circuit de commande10 d'amplificateur de puissance contenu dans l'élément de commande 111 de la Figure 1. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, les transistors qui sont utilisés comme dispositifs actifs comprenant les modules d'amplificateurs sont des MOSFETs de15 silicium à n canaux du type à enrichissement raccordés selon des configurations de source à la masse. Les MOSFETs sont tirés d'une pastille de silicium électro-conducteur telle que le connecteur de source est raccordé, via le matériau de bloc de la pastille de silicium, au côté20 arrière de la matrice. Le côté arrière de source des MOSFETs de silicium simplifie grandement la conception de l'emballage car le trajet thermique d'élimination de la chaleur peut être grand tout en assurant simultanément le circuit électrique vers la masse. Les inventeurs prévoient25 l'utilisation d'autres transistors équivalents dans cette application comme d'autres transistors à effet de champ (FETs). Avec des MOSFETs, le courant de polarisation est proportionnel au paramètre de transconductance 5 et au carré de la différence de la tension de grille Vg et d'une tension de seuil Vt: Id = (P/2)*[(Vg - Vt)]2 A cause de la relation au carré entre la tension de grille Vg et la tension de seuil Vt, le courant de polarisation d'amplificateur risque de varier fortement à cause des variations de la tension de seuil Vt. A l'inverse5 du cas des transistors bipolaires o la tension de seuil dépend des propriétés intrinsèques du silicium, la tension de seuil du MOSFET dépend des concentrations de dopage pouvant varier lors du traitement. La variation de la tension de seuil Vt est usuellement de 50%. La10 sensibilité de l'Id aux variations de la tension de seuil Vt est calculée comme suit: Svt = 6(Id)/6(Vt) = P(Vg + Vt) La sensibilité augmente avec la tension de grille Vg. Il existe plusieurs façons de résoudre le problème de l'imprécision du courant de polarisation due aux variations de seuil. Tout d'abord, on peut concevoir l'amplificateur de telle façon que la plupart des attributs principaux tels que le gain et la puissance de sortie aient une marge20 suffisante pour supporter les variations de seuil. Ensuite, on peut calibrer les dispositifs selon le seuil mesuré et utiliser un ensemble différent de résistance de polarisation pour chaque étalonnage du dispositif. Enfin, on peut régler les résistances de polarisation à l'aide de25 techniques de réglage lors de l'assemblage du module. Finalement, l'approche préférée est d'utiliser un miroir de courant dans le circuit de polarisation configuré comme illustré sur la Figure 2. En désignant le rapport des longueurs de grille du premier transistor 301 et du second30 transistor 303 par K, l'élément de résistance 307 par Rset et la tension de commande par Vref, le courant de polarisation Id du premier transistor 301 est alors donné approximativement par la relation suivante: Id = K*(Vref - Vt)/Rset La relation linéaire entre Id et Vref est la raison expliquant pourquoi l'agencement en miroir rend le courant de polarisation moins sensible aux variations de la tension5 de seuil. Dans ce cas, la sensibilité reste constante tandis que la tension de commande augmente et est par conséquent plus faible que précédemment aux hautes tensions de commande: Svt = 6(Id)/*(Vt) La Figure 3 est une illustration détaillée du premier module d'amplificateur de puissance 201 de la Figure 2. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, le second module d'amplificateur de puissance 203 est identique au premier module d'amplificateur de puissance 201 à l'exception du15 fait que les dimensions du dispositif et les résistances d'établissement de la polarisation sont choisies selon les conditions de pic de puissance de sortie pour chaque étage. En option, le second amplificateur de puissance pourrait utiliser un dispositif MOSFET sans le miroir de courant20 bien qu'avec de plus grandes variations de polarisation dans le premier étage dues au décalage de seuil entre les étages car la boucle de commande de puissance de sortie établit la tension de commande pour le point optimum de polarisation de l'étage de sortie. A titre d'illustration, seul le premier module d'amplificateur de puissance 201 sera illustré. Le premier module d'amplificateur de puissance 201 contient un premier transistor 301 possédant un drain, une source et une grille, un second transistor possédant un drain, une source30 et une grille, un élément de résistance 307 et un premier dispositif inductif 305 ainsi qu'une masse électrique 309. Le signal de données 115 est couplé à la grille du premier transistor 301. Le signal de commande 117 est couplé au drain et à la grille du premier transistor et à la grille du second transistor 303 via le premier dispositif de résistance 307. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, le premier dispositif de résistance 307 est une résistance5 d'une valeur de 510 Q. La source du premier transistor 301 est couplée à la source du second transistor 303, toutes deux couplées à une masse électrique 309. Le drain du second transistor 303 est couplé à une tension de polarisation VB+ via un premier dispositif inductif 305.10 Dans le mode de mise en oeuvre préféré, un premier dispositif inductif 305 est un bobinage d'une valeur de 39 nH. En option, le premier dispositif inductif 305 peut être une ligne de transmission constituée de pistes de signal et de masse sur une plaque de circuit imprimé multicouche. Le drain du second transistor est couplé, de même, au signal amplifié de sortie de données 207. REVENDICATIONS 1. Amplificateur (201) comprenant un connecteur de commande de polarisation, un connecteur de polarisation, un connecteur d'entrée et un connecteur de sortie, le connecteur d'entrée recevant un signal d'entrée (115) possédant un certain niveau de puissance d'entrée, le connecteur de sortie émettant un signal de sortie (207) possédant un certain niveau de puissance de sortie, le connecteur de commande de polarisation recevant un signal10 de commande de polarisation (117) possédant un courant de commande, le connecteur de polarisation recevant un courant de polarisation (VB+), amplificateur (201) caractérisé par: - un premier transistor (303) possédant un premier connecteur de drain, un premier connecteur de source, un premier connecteur de grille et une première tension de seuil, le premier connecteur de drain étant couplé à la sortie de signal et à l'entrée de polarisation; et - un second transistor (301) possédant un second connecteur de drain, un second connecteur de source, un second connecteur de grille et une seconde tension de seuil, le premier connecteur de grille, le second connecteur de grille et le second connecteur de drain étant couplés à l'entrée de signal et à l'entrée de commande de25 polarisation, et la première source et la seconde source étant couplées à une masse électrique, la première tension de seuil et la seconde tension de seuil étant pratiquement égales. 2. Amplificateur (201) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée de commande de polarisation est couplée au premier connecteur de grille, au second connecteur de grille et au premier connecteur de drain via une première résistance (307). I1 3. Amplificateur (201) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée de polarisation est couplée au premier connecteur de drain via un premier dispositif inductif (305). 4. Amplificateur (201) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée de polarisation est couplée au premier connecteur de drain via une première ligne de transmission (305). 5. Amplificateur (201) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier transistor et le second transistor sont placés dans une première matrice dans laquelle le bloc de silicium est électro-conducteur et la première source et la seconde source sont raccordées au bloc de silicium. 6. Circuit d'amplificateur à plusieurs étages (109), caractérisé par: - un premier signal de commande (117) possédant une tension de commande; - un premier étage d'amplificateur à transistor (201) possédant un premier courant de polarisation, un premier courant de commande et une première tension de seuil, le premier courant de commande étant dérivé de la tension de commande et de la première tension de seuil, le premier courant de polarisation étant lié, de façon linéaire, au25 premier courant de commande, le premier étage d'amplificateur à transistor (201) comprenant: - un premier transistor (303) possédant un premier connecteur de drain, un premier connecteur de source, un premier connecteur de grille et une première30 tension de seuil, le premier connecteur de drain étant couplé à la sortie de signal et à l'entrée de polarisation; et - un second transistor (301) possédant un second connecteur de drain, un second connecteur de source, un second connecteur de grille et une seconde tension de seuil, le premier connecteur de grille, le second connecteur de grille et le second connecteur de drain étant couplés à l'entrée de signal et à l'entrée de commande de polarisation, et la première source et la seconde source étant couplées à une masse électrique, la première tension de seuil et la seconde tension de seuil étant pratiquement égales, de telle façon que le niveau de puissance de sortie soit lié au niveau de puissance d'entrée et au premier courant de polarisation, le premier courant de polarisation étant lié, de façon linéaire, au premier courant de commande; et - un second étage d'amplificateur à transistor (203) possédant un second courant de polarisation, un second courant de commande et une troisième tension de seuil, le second courant de commande étant dérivé de la tension de commande et de la troisième tension de seuil. 7. Amplificateur à plusieurs étages selon la revendication 6, caractérisé en ce que le second étage d'amplificateur à transistor (203) comprend, de plus: - un premier transistor (303) possédant un premier connecteur de drain, un premier connecteur de source, un premier connecteur de grille et une première tension de seuil, le premier connecteur de drain étant couplé à la sortie de signal et à l'entrée de polarisation; et - un second transistor (301) possédant un second connecteur de drain, un second connecteur de source, un second connecteur de grille et une seconde tension de seuil, le premier connecteur de grille, le second connecteur de grille et le second connecteur de drain étant couplés à l'entrée de signal et à l'entrée de commande de polarisation, et la première source et la seconde source étant couplées à une masse électrique, la première tension de seuil et la seconde tension de seuil étant pratiquement égales, de telle façon que le niveau de puissance de sortie soit lié au niveau de puissance d'entrée et au courant de polarisation, le courant de polarisation étant lié, de façon linéaire, au courant de commande. 8. Radiotéléphone (103) caractérisé par: - un élément de commande (111) pour générer un premier signal de commande (117) possédant une tension de commande; - un émetteur (109) comprend: - un premier étage d'amplificateur à transistor (201) possédant un premier courant de polarisation, un premier courant de commande et une première tension de seuil, le premier courant de commande étant dérivé de la tension de commande et de la première tension de seuil, le premier courant de polarisation étant lié, de façon linéaire, au premier courant de commande, le premier étage20 d'amplificateur à transistor (201) comprenant: - un premier transistor (303) possédant un premier connecteur de drain, un premier connecteur de source et un premier connecteur de grille, le premier connecteur de drain étant couplé à la sortie de signal et à25 l'entrée de polarisation; et un second transistor (301) possédant un second connecteur de drain, un second connecteur de source, un second connecteur de grille et une seconde tension de seuil, le premier connecteur de grille, le second30 connecteur de grille et le second connecteur de drain étant couplés à l'entrée de signal et à l'entrée de commande de polarisation, et la première source et la seconde source 14 2713857 étant couplées à une masse électrique, la première tension de seuil et la seconde tension de seuil étant pratiquement égales, de telle façon que le niveau de puissance de sortie soit lié au niveau de puissance d'entrée et au premier courant de polarisation, le premier courant de polarisation étant lié, de façon linéaire, au premier courant de commande; et - un second étage d'amplificateur à transistor (203) possédant un second courant de polarisation, un second courant de commande et une troisième tension de seuil, le second courant de commande étant dérivé de la tension de commande et de la seconde tension de seuil. 9. Radiotéléphone (103) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le second courant de polarisation est lié, de façon linéaire, au second courant de commande. 10. Radiotéléphone (103) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le second étage d'amplificateur à transistor (203) comprend, de plus: - un premier transistor (303) possédant un premier connecteur de drain, un premier connecteur de source, un premier connecteur de grille et une première tension de seuil, le premier connecteur de drain étant couplé à la sortie de signal et à l'entrée de polarisation; et - un second transistor (301) possédant un second connecteur de drain, un second connecteur de source, un second connecteur de grille et une seconde tension de seuil, le premier connecteur de grille, le second connecteur de grille et le second connecteur de drain étant couplés à l'entrée de signal et à l'entrée de commande de30 polarisation, et la première source et la seconde source étant couplées à une masse électrique, la première tension de seuil et la seconde tension de seuil étant pratiquement égales, de telle façon que le niveau de puissance de sortie soit lié au niveau de puissance d'entrée et au courant de polarisation, le courant de polarisation étant lié, de façon linéaire, au courant de commande.