Brevet FR2744578A1 — publié le 19970808

La présente invention concerne un amplificateur hautes fréquences et un moyen permettant de commander l'amplificateur, notamment sous la forme circuit intégré (IC). Comme amplificateurs pour hautes fréquences, on utilise beaucoup les transistors à effet de champ (FEI) et d'autres dispositifs à semiconducteur. Un exemple non limitatif de matériaux pour dispositifs à semiconducteur convenant dans de telles applications est donné par les matériaux semiconducteurs III-V, par exemple GaAs. Avec ces matériaux et d'autres matériaux semiconducteurs, on peut construire divers types de dispositifs à semiconducteur contenant des FET. D'autres exemples non limitatifs de dispositifs à semiconducteur sont les MESFET (transistors à effet de champ à accès Schottky), les HEMT (transistors à grande mobilité électronique), les PHEMT, les MOSFET (transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur), les JFET (transistors à effet de champ à jonction), et les dispositifs bipolaires. Dans le cas des FET, il arrive souvent qu'il s'agisse de dispositifs du type déplétion (ou appauvrissement), ce qui signifie qu'en l'absence d'application d'une tension de polarisation ils sont dans l'état conducteur et qu'il faut appliquer une tension de polarisation à la borne de commande pour agir sur leur conductance et les rendre non conducteurs. Lorsqu'on les fait fonctionner comme amplificateurs linéaires ou quasi linéaires, notamment lorsqu'il est demandé une excursion de drain complète, il est ordinairement nécessaire de fournir une tension de polarisation à la borne de commande pour assurer un fonctionnement correct. Une autre difficulté est que, lorsqu'on doit appliquer une tension d'une polarité donnée (par exemple positive) au dispositif pour effectuer l'alimentation électrique, la tension de polarisation de commande nécessaire au fonctionnement correct doit souvent être de la polarité opposée (par exemple négative). Ainsi, il est fréquemment nécessaire de prévoir une source d'alimentation en tension de polarisation pour la borne de commande, qui possède la polarité opposée à celle de l'alimentation électrique du circuit principal. Pour la commodité de l'explication, dans la description de la structure et du fonctionnement de ces amplificateurs, on supposera, sans aucune intention limitatrice, que l'alimentation du circuit principal est positive et que l'alimentation de polarisation est négative. L'homme de l'art aura compris que d'autres choix de polarité peuvent être faits pour l'alimentation du circuit principal et l'alimentation de polarisation, selon les types de dispositifs utilisés. Dans de nombreuses applications à des dispositifs portatifs, on souhaite assurer le fonctionnement à partir d'une seule alimentation électrique. Dans cette situation, si l'alimentation du circuit principal est positive et l'alimentation de la polarisation est négative, il faut alors produire le potentiel de polarisation négatif à partir du potentiel positif. Dans la technique antérieure, ceci a classiquement été réalisé à l'aide d'un système de pompe à charge ou d'un oscillateur et d'un redresseur servant à produire un signal de sortie négatif. Malheureusement, ces pompes à charge ou ces alimentations à oscillateur- redresseur sont, dans la technique antérieure, relativement encombrantes et difficiles ou impossibles à intégrer, notamment sur la même puce de circuit intégré ou le même ensemble monolithique que les amplificateurs eux-mêmes. Par conséquent, le besoin continue d'exister d'une alimentation de polarisation négative améliorée pour la commande de ces amplificateurs hautes fréquences. 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 1 représente un schéma de circuit simplifié d'un amplificateur hautes fréquences intégrable possédant des circuits de polarisation et de commande internes, selon l'invention; et la figure 2 représente le mode de réalisation préféré de l'amplificateur de la figure 1, incorporant d'autres détails. La figure 1 représente le schéma simplifié du circuit amplificateur 10 d'un amplificateur hautes fréquences intégrable 12 possédant un circuit de polarisation et de commande 14 et un élément amplificateur 16, couplé à un commutateur d'alimentation électrique 18, selon l'invention. La ligne 12' en trait interrompu entoure les composants qui peuvent commodément être intégrés dans une unique micropuce semiconductrice pour former l'amplificateur intégré 12. Les composants situés dans les limites de la ligne en trait interrompu 12' sont spécialement conçus de façon à pouvoir être placés à l'intérieur d'une unique puce de microcircuit (IC) ou d'un circuit intégré hyperfréquence monolithitue (MMIC), mais ceci n'est pas essentiel pour l'invention et ils peuvent aussi être placés dans un montage. Le circuit amplificateur 10 possède une entrée de radiofréquence (RF) par l'intermédiaire de laquelle sont fournis des signaux RF de fréquence fi destinés à être amplifiés par l'élément amplificateur 16 de bande passante Af. Pour des téléphones cellulaires portatifs et d'autres appareils de télécommunications mobiles, la fréquence fi est typiquement comprise dans l'intervalle d'environ 0,8 à 2 GHz, ou plus. Le circuit amplificateur 10 possède une entrée de validation 22, qui commande le fonctionnement d'un oscillateur hautes fréquences 24 (noté oscillateur HF), par exemple, de façon à rendre l'oscillateur 24 actif et inactif, et à commander un circuit de commande de priorité 42. L'oscillateur 24 reçoit de l'énergie via une borne 21 qui est couplée à une alimentation électrique, par exemple une batterie. Il est souhaitable que l'oscillateur 24 fonctionne à une fréquence élevée, en particulier à une fréquence notablement supérieure à fi, par exemple dans l'intervalle d'au moins 2 à 5 fois fi. Dans un mode de réalisation préféré o 0,8 c fi une inductance suffisante pour pouvoir être utilisés comme réactance inductive. Par exemple, le fil de liaison 27 de la figure 2 peut faire fonction d'inductance de réglage d'accord pour l'oscillateur 24 sans qu'il soit besoin de faire appel à des composants inductifs extemrnes. De plus, on peut faire appel à de très petites valeurs de capacité, que l'on fabrique facilement en utilisant de faibles proportions de l'aire de la puce. L'oscillateur peut également fonctionner à des fréquences notablement inférieures à fi. Dans ce cas, la fréquence de l'oscillateur doit être suffisamment élevée pour faire commuter l'oscillateur dans l'état actif et dans l'état inactif en un temps voulu, en particulier lorsque la fréquence fi est supérieure à 5 GHz. Le signal de sortie 28 de l'oscillateur 24 est envoyé au redresseur 30. Le redresseur 30 est commodément un redresseur travaillant sur une seule alternance (on dira redresseur demi-onde) à deux étages, la polarité des diodes étant prévue de façon qu'une tension négative apparaisse sur la sortie 32 du redresseur 30, si bien qu'il est produit, par exemple, une tension continue de -6 V à partir d'une tension continue de +3,6 V fournie sur la borne 21 par la source d'alimentation électrique. D'autres montages redresseurs peuvent également être utilisés, dans la mesure o une tension ayant la polarité voulue apparaît sur la sortie 32. La sortie 32 est couplée au filtre passe-bas 34, dans lequel les composantes de signaux de haute fréquence résiduelles de l'oscillateur 24 et du redresseur 30 sont éliminées de manière classique. La tension continue négative du filtre passe-bas 34 est délivrée à un noeud 36. Le noeud 36 est couplé à une borne de sortie 38 facultative, sur laquelle la tension négative produite par l'oscillateur 24, le redresseur 30 et le filtre 34 est présente et est disponible pour d'autres parties du système général (non représenté). Le noeud 36 est couplé à l'entrée 40 du circuit 42 de commande de priorité et à l'entrée 44 d'un circuit 46 de commande de polarisation/gain. La sortie 48 du circuit de commande de priorité 42 est couplée à l'entrée de commande 50 du commutateur d'alimentation électrique 18. La sortie 52 du circuit de commande de polarisation/gain 46 est couplée à un noeud 54, qui est lui-même couplé à des entrées de polarisation/gain 56, 58 d'étages d'amplification 60, 62 de l'élément amplificateur 16. L'élément amplificateur 16 est représenté comme comprenant deux étages d'amplification 60, 62 couplés en série, mais ceci n'est qu'à simple titre d'illustration, et l'élément amplificateur 16 peut avoir un plus grand nombre ou un plus petit nombre d'étages d'amplification et peut employer des étages d'amplification couplés en série ou en réaction, ou encore une combinaison de ceux-ci, et il peut être de n'importe quel type compatible avec les autres composants de l'amplificateur intégré 12. Une entrée 64 de l'élément amplificateur 16 est couplée à l'entrée de radiofréquence (RF) 20, et un signal fi apparaît sous forme amplifiée sur une sortie 66. Les étages d'amplification 60, 62 peuvent être des étages à source à la terre ou à grille à la terre, par exemple lorsqu'on utilise des transistors à effet de champ (FEF). On peut aussi utiliser d'autres configurations et types de dispositifs, que l'on emploie dans les applications aux hautes fréquences. Les étages d'amplification 60, 62 peuvent consister en un dispositif unique, des dispositifs multiples, ou une combinaison de ceux-ci. Les entrées de polarisation/gain 56, 58 sont couplées à la borne d'entrée appropriée du dispositif ou des dispositifs 71, 72 (figure 2) de façon à empêcher que l'élément amplificateur 16 ne transporte un courant excessif lorsqu'il est couplé à l'alimentation électrique via le commutateur d'alimentation électrique 18. La fonction du circuit de commande de priorité 42 est d'assurer que le commutateur d'alimentation 18 ne se ferme pas, en couplant l'élément amplificateur 16 à la batterie Vb, avant que le circuit 46 de commande de polarisation/gain n'ait effectivement appliqué la polarisation aux entrées de polarisation/gain 56,58 des étages d'amplification 60, 62, et que ce commutateur d'alimentation 18 s'ouvre avant que cette polarisation n'ait été retirée. Ceci assure que les étapes d'amplification 60, 62 sont protégés vis-à-vis des contraintes électriques et thermiques associées à un fonctionnement non contrôlé (c'est-à-dire en l'absence de polarisation). Ceci peut être accompli d'un certain nombre de manières, comme par exemple représenté sur la figure 2, o une fonction logique est réalisée à l'aide de deux FET et un signal de sortie n'est fourni au commutateur d'alimentation 18 que lorsque la polarisation négative voulue est présente sur le noeud 36 et que la borne de validation 22 est positive. Ceci empêche que l'élément amplificateur 16 ne transporte trop de courant. Le commutateur d'alimentation électrique 18 peut être n'importe quel type approprié de dispositif pouvant coupler et découpler l'alimentation électrique Vb apparaissant sur la borne 26 à l'élément amplificateur 16. Le commutateur d'alimentation électrique 18 ne doit pas nécessairement être un dispositif très rapide, puisque sa fonction est d'appliquer le potentiel d'alimentation électrique à l'élément amplificateur 16 et de supprimer l'application de ce potentiel à l'élément amplificateur 16. Il ne fonctionne pas à la fréquence fi qui est amplifiée, mais, de façon générale, à une vitesse beaucoup plus lente correspondant à la vitesse avec laquelle l'amplificateur 12 est rendu actif et inactif par un signal fourni sur l'entrée de validation 22. Lorsque l'élément amplificateur 16 est formé à partir de FETl en mode déplétion à canal N, alors le commutateur d'alimentation 18 sera commodément un FET à canal P, ou, par exemple, un dispositif PMOS, mais on peut aussi utiliser d'autres types de dispositifs, par exemple un dispositif bipolaire PNP et un dispositif MESFET à déplétion qui est normalement dans l'état non conducteur. Lorsque la technique de fabrication des circuits intégrés qui est utilisée pour fabriquer l'amplificateur 12 permet de fabriquer des dispositifs de types opposés (par exemple des dispositifs à canal P et à canal N ou des dispositifs PNP et NPN, ou encore une combinaison de ceux-ci) dans ou sur le même substrat, alors le commutateur d'alimentation 18 peut également être intégré à l'amplificateur 12, mais ceci n'est pas essentiel. Un autre avantage de l'utilisation de l'oscillateur 24 à fréquence ultra- haute par l'invention est qu'une modification du signal sur l'entrée de validation 22 produit une modification très rapide du signal de sortie de l'amplificateur 12, puisqu'il suffit de quelques cycles de l'oscillateur 24 pour que l'effet de la fermeture de l'oscillateur 24, sous l'action de la suppression d'un signal approprié sur l'entrée de validation 22, soit réfléchi dans le circuit de commande de priorité 42, ce qui entraîne la fermeture du commutateur d'alimentation électrique 18. Par exemple, l'amplificateur 12 selon l'invention peut être activé ou désactivé en moins de 1 microseconde, au lieu des 200 microsecondes des amplificateurs typiques de la technique antérieure qui emploient des pompes à charge de 100 kHz pour produire leur tension de polarisation négative. Ceci est un avantage important dans les systèmes de télécommunication portatifs, o il est souhaitable d'économiser l'énergie en ne mettant dans l'état actif l'amplificateur de puissance RF que pendant de très braves durées d'émission et en le mettant dans l'état inactif le reste du temps. Avec les systèmes de la technique antérieure, qui ont une réaction beaucoup plus lente, une énergie supplémentaire non négligeable est gaspillée pendant les périodes activation-désactivation beaucoup plus longues. Un autre avantage de l'utilisation, par l'invention, de l'oscillateur 24 à fréquence ultra-haute (c'est-à-dire à une fréquence obtenue en multipliant fi par un facteur compris entre 2 et 5, par exemple, soit une fréquence supérieure à3 GHz, de préférence d'environ 4 GHz ou plus), par comparaison avec les techniques connues utilisant des pompes à charge de 100 kHz, est que les ondulations qui subsistent dans le potentiel continu de la ligne 32 sont petites et se filtrent relativement facilement et que, même s'il en reste un peu, les produits de modulation présents dans l'élément amplificateur 16 sont suffisamment éloignés de fi pour ne pas se trouver dans les limites de la bande passante de l'élément amplificateur 16. Ainsi, un signal de sortie très propre du point de vue électrique est fourni par l'amplificateur 12. La fonction du circuit 46 de commande de polarisation/gain est, par exemple, de prendre la tension continue brute qui apparaît sur le noeud 36, d'effectuer la compensation des variations de seuil des FET des étages d'amplification 60,62 et de l'appliquer aux entrées 56,58 de l'élément amplificateur 16. Par exemple, le circuit 46 de commande de polarisation/gain permet qu'un signal de commande (de 0 à +2,7 V par exemple) appliqué à une borne 68 fasse varier la polarisation appliquée sur le noeud 54 de facçon à fixer le point de fonctionnement des amplificateurs 60, 62 sur un intervalle d'environ -5 à -2,3 V par exemple, pour commander leur gain et leur fonctionnement, et par conséquent leur puissance de sortie. Ceci est important dans les applications aux radiotéléphones cellulaires, o la puissance de sortie RF de l'unité portative est contrôlée et ajustée en fonction de l'intensité de signal de l'unité portative, telle que mesurée dans la station de base. Ceci économise l'énergie de l'unité portative tout en réduisant les interférences avec les cellules voisines. Un moyen préféré de mettre en oeuvre le circuit 46 de commande de polarisation/gain est présenté sur la figure 2, o un FET du type déplétion 41 joue le rôle d'une source de courant dans le seul cas o une tension continue négative venant du redresseur 30 apparaît sur le noeud 36, et ce FET 41 et une résistance 47 transferent linéairement à l'entrée de polarisation des étages d'amplification 60, 62, sur le noeud 54, la variation de tension appliquée à un accès externe 68. Dans le mode de réalisation préféré de la figure 2, les transistors 41, 70, 71, 72 sont des FET du type déplétion et les transistors 80, 81 sont des FET du type enrichissement, les autres composants montrés étant représentés par des symboles classiques. La ligne en trait interrompu 12' indique ceux des composants de l'amplificateur 12 qui peuvent commodément être intégrés à l'intérieur d'une puce semiconductrice monolithique, et la ligne en trait interrompu 12" indique l'amplificateur 12 après montage dans un boîtier de dispositif. De plus, d'autres montages peuvent être utilisés pour donner le même résultat. Par exemple, sans intention de limitation, on peut prévoir une ligne 55 (représentée sur la figure 1) facultative entre la sortie 52 du circuit 46 de commande de polarisation/gain et le circuit de commande de priorité 42 de façon à permettre au circuit de commande de priorité 42 de mesurer directement la tension présente sur le noeud 52. A l'issue de cette description, il apparaîtra à l'homme de l'art que l'invention produit un amplificateur RF et un circuit de polarisation et de commande qui sont facilement intégrables, à qui on peut donner une taille extrêmement petite, qui assurent un temps de réponse beaucoup plus rapide que celui possible jusqu'ici, qui comportent une protection appropriée pour que les dispositifs à mode déplétion empêchent la surcharge, qui fournissent un signal de sortie sensiblement exempt de modulation parasite due à l'alimentation en polarisation négative, qui n'ont besoin que de peu de composants extemrnes, qui permettent un fonctionnement à puissance variable et qui permettent une moindre consommation globale de puissance dans les systèmes de télécommunications qui emploient une signalisation en mode salves. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir des dispositifs dont la description vient d'être donnée à tire simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit amplificateur (10), caractérisé en ce qu'il comprend une source de signal de courant continu, un étage d'amplification (60, 62) utilisant une tension de polarisation pour réaliser un fonctionnement prédéterminé, un circuit de commande de polarisation/gain (46) servant à recevoir le signal de courant continu et à fournir la polarisation à l'étage d'amplification (60, 62), et un circuit de commande de priorité (42) couplé à la source de signal de courant continu afin d'assurer qu'un commutateur d'alimentation électrique (18), qui couple l'étage d'amplification (60, 62) à une borne (26) d'une alimentation électrique, ne soit fermé que lorsque la polarisation est fournie. 2. Circuit amplificateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gain de l'étage d'amplification (60,62) dépend du circuit de commande de polarisation/gain, le circuit amplificateur comprenant en outre un accès externe par lequel il est possible de faire varier la polarisation et le gain de l'étage d'amplification (60, 62). 3. Circuit amplificateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de signal de courant continu comprend un oscillateur (24) et un redresseur (30), l'oscillateur (24) fonctionnant à une fréquence supérieure d'environ deux fois à la fréquence de fonctionnement de l'étage d'amplification (60, 62). 4. Circuit amplificateur (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'oscillateur (24) fonctionne à une fréquence égale ou supérieure à environ 2 GHz. 5. Circuit amplificateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur possède une fréquence de fonctionnement nominale fi et une bande passante Af et en ce que l'oscillateur fonctionne à une fréquence fo supérieure ou inférieure à fi de façon qu'aucun produit d'intermodulation significatif résultant de fi et de fo n'apparaisse dans la bande passante Af de l'amplificateur. 6. Circuit amplificateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage d'amplification (60, 62) comprend un ou plus d'un dispositif à semiconducteur en mode déplétion normalement conducteur. 7. Circuit amplificateur (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le ou les dispositifs à semiconducteur sont respectivement constitués par un transistor à effet de champ à canal N. 8. Circuit amplificateur (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le transistor à effet de champ est un transistor à effet de champ en GaAs. 9. Amplificateur à semiconducteur (12") servant à amplifier une fréquence fi lorsqu'il est couplé à une alimentation électrique (Vb) et à un commutateur d'alimentation électrique (18), caractérisé par un étage d'amplification (60, 62) qui sert à amplifier la fréquence fi en utilisant une polarisation de façon à réaliser un fonctionnement prédéterminé, un oscillateur (24) fonctionnant à plus d'environ deux fois la fréquence fi et couplé à un redresseur (30) afin de produire un signal de courant continu, un circuit de commande de polarisation/gain (46) servant à recevoir le signal de courant continu et à fournir la polarisation à l'étage d'amplification (60, 62), et un circuit de commande de priorité (42) couplé à l'oscillateur (24) et au redresseur (30), o le circuit de commande de priorité (42) a pour fonction d'assurer que le commutateur d'alimentation électrique (18) qui couple l'étage d'amplification (60, 62) à l'alimentation électrique (Vb) n'est dans l'état actif que lorsque la polarisation est fournie.