Brevet FR2826228A1 — publié le 20021220

Dispositif d'amplification de signaux pour téléphone mobile Domaine de l'invention L'invention concerne un dispositif d'amplification de signaux pour téléphone mobile, dans lequel le rendement d'amplification est optimisé quel que soit le niveau de puissance requis en sortie du dispositif. L'invention trouve des applications dans le domaine de la téléphonie mobile pour gérer au mieux les différents niveaux de puissance auxquels un téléphone mobile peut émettre de façon à obtenir une consommation électrique totale du téléphone la plus stable possible. Etat de la technique. En téléphonie mobile, chaque téléphone mobile doit gérer son niveau de puissance, c'est-à-dire son niveau d'émission et de réception de signaux sur l'antenne, en fonction de l'environnement dans lequel il se trouve et des perturbations subies par cet environnement. Or, l'augmentation du niveau de puissance du téléphone entraîne généralement une augmentation de la consommation électrique du téléphone. En effet, chaque téléphone mobile comporte un circuit d'amplification situé en amont de l'antenne'd'émission/réception du téléphone mobile. Un tel circuit d'amplification, appelé aussi dispositif d'amplification, est représenté sur la figure 1. Ce circuit d'amplification, référencé 1, comporte une alimentation Vcc alimentant un transistor T. Ce transistor T peut être un transistor bipolaire ou un transistor à effet de champ, dont l'une des portes de sortie est connectée à la masse et dont l'autre porte est connectée sur l'entrée de l'antenne 2 d'émission/réception du téléphone mobile. Cette antenne présente, classiquement, une impédance de charge RL de 50 0 et reçoit une puissance de sortie Pout. Cette puissance de sortie Pout de l'antenne 2 dépend de la tension d'alimentation Vcc du circuit d'amplification, de l'impédance de charge RL obtenue en sortie dudit circuit d'amplification et du courant de polarisation 10 circulant dans ce circuit. Autrement dit : Pout = f (Vcc, RL, 10). D'une façon générale, la consommation électrique du circuit d'amplification, qui constitue une partie importante de la consommation électrique totale d'un téléphone mobile, augmente lorsque la puissance de sortie du téléphone augmente. Il est donc important d'obtenir un rendement du circuit d'amplification le plus constant possible afin d'obtenir une consommation de ce circuit la plus stable possible et, par conséquent, une consommation totale du téléphone la plus stable possible. Le circuit d'amplification 1, représenté sur la figure 1, est un circuit de classe A, ce qui signifie qu'il est linéaire. Ce dispositif d'amplification a donc un rendement maximum de 50%. Sur la figure 2, on a représenté la courbe du courant de polarisation d'un transistor T parfait, c'est-à-dire d'un dispositif d'amplification 1 parfait. Dans ce cas, on voit que le courant de saturation dynamique Ic du transistor T est égal à : 1 c = 1 Q + V cc/RL et que la tension de blocage dynamique Vce est égale à : Vce = Vcc + RL IQ La puissance de sortie du dispositif est donc fonction, d'une part, de la tension d'alimentation Vcc du circuit d'amplification et, d'autre part, du courant de polarisation et de l'impédance de charge RL. Pour un circuit 1 parfait, on obtient donc un rendement maximum 4Vcc2 max=---=0, 5 cc/e VCC IQ Toutefois, en réalité, la caractéristique du transistor T n'est pas totalement linéaire et, en particulier, elle n'est pas linéaire à ses extrémités. Aussi, en réalité, on n'exploite pas la totalité de la caractéristique du transistor T. Pour cela, on introduit un intervalle E qui correspond à la perte de caractéristique vers le bas et à la perte de caractéristique vers le haut. On obtient alors un rendement Il qui est : soit un rendement maximum nmax : Par exemple avec un E égal à 0,37 Volts, cela conduit à un rendement maximum réel du circuit d'amplification de 40%. On comprend donc que pour obtenir une puissance élevée en sortie de l'antenne, il est important d'avoir un rendement du circuit d'amplification le plus élevé possible. Actuellement, pour améliorer le rendement des amplificateurs de puissance de classe A, il est classique de faire varier soit la tension d'alimentation Vcc soit le courant de polarisation IQ, soit Vcc et 10 simultanément. Si l'on choisit de conserver le courant de polarisation 10 constant et dans le cas où la puissance de sortie Pout n'est pas maximale, alors on obtient le rendement suivant : Pout Pmax Pout 77 =-=-Fcc'/g Fcc-7o Pmax D'où : Pout 77 = ? ymax--Pmax Autrement dit, si on a, par exemple, un rendement maximum de 50%, pour un signal de 27 dBm, on obtient un rendement final de 25% pour un signal de 24 dBm, ce qui signifie que pour une diminution de 3 dB sur la puissance de sortie, le rendement de l'amplificateur de puissance diminue de moitié. Si l'on choisit d'améliorer le rendement des amplificateurs de puissance en faisant varier le courant de polarisation 10 et en gardant la tension d'alimentation Vcc constante, alors on obtient comme rendement : Pout Pmax Pout IQ 77 Fcclo* VccIo Pmax IQ * Avec : max-L. Pout. IQ Pmax IQ* d'où : fuI 2 et Pout RdQ. 2 Pmax= etP = Autrement dit, si l'on baisse la puissance de sortie de 3 dB, alors le rendement qui est de 50% pour une puissance de 27 dBm passe à 35% pour une puissance de 24 dBm. Dans les deux cas qui viennent d'être présentés, la consommation du circuit d'amplification reste élevée en regard de la puissance de sortie. Ces circuits sont donc perfectibles du point de vue de la consommation du téléphone mobile. Une autre solution consiste à faire varier la tension d'alimentation Vcc. Pour cela, on utilise une alimentation à découpage qui permet d'augmenter ou de diminuer la tension Vcc. Dans ce cas, pour : Vcc * 2 Pout = 0, 5 - = CC* = 2. Pout!RL RL et comme : RL P max 'VPmax RL alors : Pout 17 = = 17 max Vcc * IQ * On obtient alors un rendement qui, en théorie, est égal au rendement maximum. Toutefois, il faut noter que, dans l'alimentation à découpage, le rendement perd 10 à 15%. En conséquence, le rendement réel obtenu pour le circuit d'amplification est de 85 à 90% du rendement maximum. Le rendement obtenu en sortie fait donc perdre 10 à 15% de la puissance, systématiquement, quel que soit le niveau de puissance. En outre, l'utilisation d'une alimentation à découpage entraîne un coût élevé pour un téléphone mobile. Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des techniques exposées précédemment. Pour cela, l'invention propose un dispositif d'amplification pour téléphone mobile dans lequel l'impédance de charge vue par l'amplificateur varie en fonction du niveau de puissance requis en sortie du dispositif. A cette fin, l'invention propose un dispositif d'amplification comportant un dispositif d'adaptation d'impédance situé en amont de l'antenne du téléphone mobile. Ce dispositif d'adaptation d'impédance peut être un filtre, par exemple passe-bas, ou tout autre dispositif permettant de faire varier la valeur de ses éléments électroniques afin de faire varier l'impédance de charge vue par l'amplificateur. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif d'amplification de signaux dans un téléphone mobile muni d'une antenne d'émission et de réception, ledit dispositif étant situé en amont de l'antenne et comportant une source d'alimentation en tension et un amplificateur de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'adaptation d'impédance connecté entre l'amplificateur de puissance et l'antenne et produisant une valeur d'impédance variable en fonction d'un niveau requis de puissance de l'antenne. Ce dispositif d'amplification est destiné, en particulier, aux téléphones mobiles fonctionnant en mode GSM ou en mode UMTS, ou aux téléphones mobiles fonctionnant dans ces deux modes. En effet, il est connu qu'un téléphone mobile en mode GSM a une consommation électrique importante. Cette consommation électrique est encore supérieure en mode UMTS puisque dans ce mode, l'émission de signaux se fait en permanence (et non sur un huitième du temps comme en GSM). Brève description des figures La figure 1, déjà décrite, représente un dispositif d'amplification pour téléphone mobile de l'art intérieur ; La figure 2, déjà décrite, représente la caractéristique de l'amplificateur de puissance du circuit électrique de la figure 1 ; La figure 3 représente le dispositif d'amplification de l'invention ; et Les figures 4A à 4G représentent différents modes de réalisation du dispositif d'adaptation d'impédance du circuit de la figure 3. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 3 représente le dispositif d'amplification de signaux dans un téléphone mobile, conforme à l'invention. Comme dans l'art antérieur de la figure 1, le dispositif d'amplification de l'invention comporte une source d'alimentation en tension Vcc et un amplificateur de puissance 1. Cet amplificateur 1 est réalisé au moyen d'un transistor T associé à une bobine L (ou self) et à un condensateur C. La bobine L est ici un élément inductif et elle peut donc être remplacée par un élément équivalent, comme une ligne microruban par exemple. Comme on l'a expliqué pour la figure 1, l'amplificateur 1 présente à sa sortie une impédance RL. Dans l'invention, le dispositif d'amplification comporte, en outre, un dispositif d'adaptation d'impédance 3. Ce dispositif d'adaptation d'impédance est connecté entre la sortie de l'amplificateur 1 et l'entrée de l'antenne 2. Il a pour rôle d'adapter l'impédance vue de l'amplificateur 1, c'est-à-dire l'impédance RL, à l'impédance de l'antenne 2. Ce dispositif d'adaptation d'impédance 3 permet donc d'adapter l'impédance de charge RL, c'est-à-dire l'impédance vue par le transistor T de l'amplificateur de puissance 1 à l'impédance de l'antenne 2, quel que soit le niveau de la puissance requis en sortie du téléphone mobile, c'est-à-dire au niveau de l'antenne 2. Autrement dit, ce dispositif 3 permet de réaliser une variation d'impédance de façon à obtenir, dans le circuit d'amplification, une impédance variable contrôlée. Dans l'invention, on choisit une tension d'alimentation Vcc constante. On choisit aussi un courant de charge la ainsi qu'une impédance de charge RL variables. Puisque Vcc est constante on obtient : Pour obtenir un rendement Il égal au rendement maximal, soit : Pout pour 71 = = 71 maX, Vcc IQ on réduit IQ. On a alors : Le rendement obtenu est alors : Ce résultat est le résultat théorique obtenu pour IQ variable et RL variable. En pratique, avec un transistor réel dont on n'utilise pas toute la caractéristique, on a, comme expliqué précédemment : /e \ max=0, 5 1---F Vcc Aussi, on obtient Pout (vcc + e RL* (vcc-E POM =------"-== z. * =------D'où : D'où : Pout (C-ë) 2 ri Vcc. 1 Q Q L Q Et comme RL IQ* = Vcc, alors 7=0, 5 1---r max Vcc Le rendement alors obtenu est égal au rendement maximum, quelle que soit la puissance de sortie, c'est-à-dire quel que soit Pout Le dispositif d'adaptation d'impédance de l'invention peut être réalisé de différentes manières. La manière la plus simple est représentée sur la figure 4A. Dans ce cas, le dispositif d'adaptation d'impédance comporte un filtre passe-bas comprenant une bobine L'connectée en série entre la sortie de l'amplificateur de puissance 1 et l'antenne 2. Il comporte aussi une capacité variable C'connectée en parallèle sur l'antenne 2. Cette capacité C' peut-être choisie, par exemple, entre 0 et 4 pF. Si l'on considère que l'impédance vue de l'amplificateur 1 s'appelle R1+) X1, alors dans ce cas on obtient : Où Q est la charge du circuit, la est imposé par la résistance Ri et Ro est l'impédance de l'antenne, soit 50 n. Si l'on choisit, par exemple, Ri égal à 10 n, alors on peut pendre une self de 1.6 nH et une capacité de 3.2 pF. Un autre mode de réalisation du dispositif d'adaptation d'impédance consisterait à utiliser deux diodes polarisées en sens inverses. Ce mode de réalisation est représenté sur la figure 4B. On obtient alors, en sortie de ce dispositif, un niveau de puissance de 24 ou 27 dBm avec un rendement maximum. Un autre mode de réalisation est représenté sur la figure 4C. Dans ce mode de réalisation, le dispositif d'adaptation d'impédance comporte trois composants dont deux au moins sont variables. On peut utiliser, comme montré sur la figure 4C, une bobine L 1 et deux capacités variables C1 et C2 connectées en parallèle. On peut également utiliser une bobine L2 et deux capacités variables C3 et C4 connectées en T comme montré sur la figure 4D ou une bobine L3 et deux capacités variables C5 et C6 connectées en'ru comme montré sur la figure 4E Ces trois figures 4C, 4D et 4E sont équivalentes, en fonctionnement. Un autre mode de réalisation consiste à utiliser une bobine variable L4 et deux capacités C7 et C8 dont l'une C8 en parallèle est variable, et l'autre C7 en série est fixe. Ce mode de réalisation est représenté sur le figure 4F. Il est possible aussi d'utiliser, comme montré sur la figure 4G deux bobines L5 et L6 en série, dont l'une L6 proche de l'antenne est variable, et une capacité variable C9 en parallèle et raccordée au point milieu des deux bobines. Pour toutes ces figures, les bobines peuvent être remplacées par des équivalents (microruban ou autre) Toutefois, ces modes de réalisations dans lesquelles une bobine est variable sont moins faciles à mettre en oeuvre, car il est moins facile de faire varier une bobine qu'une capacité. Dans les modes de réalisations qui viennent d'être décrits et qui comportent au moins une capacité variable, on peut réaliser cette capacité variable de plusieurs façons. Par exemple, la capacité variable peut être réalisée à partir de diodes varicap polarisées. Cependant, dans ce cas, les diodes varicap doivent d'être polarisées avec des tensions très élevées, c'est-à-dire de l'ordre de 50 V, ce qui n'est pas aisé à mettre en oeuvre dans un téléphone mobile. Les capacités variables peuvent également être réalisées au moyen d'une batterie de diodes pin avec une capacité en série, ou bien au moyen d'une batterie de transistors MOS, ou encore au moyen d'un micro-moteur c'est-à-dire d'un moteur et d'engrenages microscopiques réalisés dans le silicium. Tous les modes de réalisation des figures 4C à 4G décrits ci-dessus ont l'avantage de comporter trois composants ce qui permet d'obtenir un nombre plus important de dégrés de liberté, afin de pouvoir modifier l'impédance variable plus facilement et surtout de façon plus précise. Cela permet également de modifier le facteur de qualité Q qui est l'image de la bande passante obtenue. Ainsi, par exemple, plus on veut une large bande passante et plus l'on peut choisir une capacité faible. En pratique, la mise en oeuvre du dispositif de l'invention nécéssite une phase d'apprentissage et de calibrage, effectuées sur le site de production. Cette phase d'apprentissage et de calibrage permet d'obtenir une table de correspondance entre les niveaux de puissance requis en sortie du téléphone et le ou les signaux de contrôle à appliquer au dispositif d'amplification et, en particulier, au dispositif d'adaptation d'impédance qui assure la variation de la charge vue depuis l'amplificateur. Quel que soit le mode de réalisation choisi pour le dispositif d'adaptation d'impédance, l'invention permet de diminuer la puissance dynamique du circuit tout en diminuant la consommation électrique dans le dispositif d'amplification. Par exemple, dans le cas d'un téléphone fonctionnant en mode UMTS, pour une puissance de sortie Pout de 24 dBm, on aurait, classiquement, un courant dans l'amplificateur de 300 mA et un courant dans le reste du téléphone de 200 mA, soit un courant total de 500 mA. Le dispositif de l'invention permet d'obtenir pour une puissance de sortie de 18 dBm (soit une puissance de 6 dBm inférieure à la puissance maximum), un courant dans l'amplificateur de 75 mA, d'où un courant total dans le téléphone de 275 mA. Cette diminution de la consommation électrique permet d'augmenter le temps de communication du téléphone d'une demiheure (sur une base, pour les meilleures solutions actuelles, de deux heures). Et cela pour un coût peu élevé puisque le dispositif de variation d'impédance proposé dans l'invention ne comporte que des éléments électroniques classiques, de faibles coûts. REVENDICATIONS 1-Dispositif d'amplification de signaux dans un téléphone mobile muni d'une antenne (2) d'émission et de réception, ledit dispositif étant situé en amont de l'antenne et comportant une source d'alimentation en tension (Vcc) et un amplificateur de puissance (1), caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif d'adaptation d'impédance (3) connecté entre l'amplificateur de puissance et l'antenne et produisant une valeur d'impédance variable en fonction d'un niveau requis de puissance de l'antenne. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'adaptation d'impédance comporte un élément inductif, de type bobine, (L) connectée en série entre l'amplificateur de puissance et l'antenne et une capacité variable (C) connectée en parallèle sur l'antenne. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'adaptation d'impédance comporte deux diodes en série, polarisée en sens inverse. 4-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'adaptation d'impédance comporte trois composants dont deux au moins sont variables. 5-Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif d'adaptation d'impédance comporte une bobine (L 1) et deux capacités variables (C1, C2). 6 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif d'adaptation d'impédance comporte une bobine variable (L4) et deux capacités (C7, C8) dont l'une est variable. 7 - Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la capacité variable comporte au moins deux diodes varicap à haute tension. 8 - Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la capacité variable comporte un micromoteur. 9 - Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la capacité variable comporte une batterie de transistors MOS ou de diodes pin. 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il présente un rendement maximum quel que soit le niveau de puissance requis.