Brevet FR2840466A1 — publié le 20031205

cheque moteur (14A, 14B) et ltorgane de sortie (22). 1 2840466 AMPLIFICATEUR HAUTE FREQUENCE EN CIRCUIT INTEGRE L' invention concerne l es ampl ificateurs real ises en circuit integre sur silicium et capables de fournir des puissances de l'ordre de quelques centaines de milliwatts a des frequences de l'ordre d'un gigahertz ou plus, en amplifiant un signal d'entree avec un gain d'au moins 20 a 30 dB et avec un rendement suffisant (par exemple superieur a 30%). Les applications de tels amplificateurs vent notamment ['emission radiofrequence a faible puissance a ['aide de circuits tres peu encombrants et le moins couteux possible. Pour rendre l'amplificateur aussi peu encombrant que possible, il est souhaitable de le realiser a ['aide d'un circuit integre lo unique auquel on associe un nombre reduit de composants externes. Un facteur de cout est en effet la presence de composants externes, non seulement en raison de leur cout propre et de leur cout de montage, mais surtout en raison du fait qu'il faut prevoir des broches d'acces supplementaires du circuit integre uniquement pour connecter ces composants en des points internee de 1'amplificateur. Un amplificateur travaillant a des frequences radio necessiterait norm al ement pl usie urs etages d' am pl ificati on et en general des inductances et capacites d'adaptation entre les etages. Aux frequences radio envisagees (de l'ordre de 1 GHz a quelques GHz) ces inductances et capacites seraient trop encombrantes pour etre integrees dans la puce de circuit-integre au silicium. 11 faudrait done normalement des broches d'acces specifiques du circuit integre, permettant de connecter des capacites et inductances exteri eu res pour l es adaptations d' i mpedance entre etages. Un but de ['invention est done de proposer un schema d'amplificateur radiofrequence qui ne necessite pas de capacite et d'inductance d'adaptation entre etages. Pour cela, on propose un circuit integre comportant un amplificateur dont le dernier etage comprend deux points d'entree de signal a amplifier E et E' recevant en differentael un signal a amplifier, et quatre transistors principaux de meme type de conductivite, ayant chacun une base, un emetteur et un collecteur, parmi lesquels un premier transistor ou 2 2840466 transistor de sortie monte en emetteur commun, dont le collecteur est relic a une sortie du circuit integre, un deuxieme transistor monte en suiveur de tension entre le point E et la base du transistor de sortie, un troisieme transistor monte en emetteur commun, ayant son collecteur relic a la base du transistor de sortie, un quatrieme transistor monte en suiveur de tension ayant sa base reliee au point E' et son emetteur relic a la base du troisieme transistor, le circuit comprenant encore une premiere source de courant reliee a la base du premier transistor et une deuxieme source de courant reliee a la base du troisieme transistor. Au lieu d'utiliser des inductances et capacites d'adaptation en amont d'un transistor de sortie, on utilise done un circuit a deux transistors (deuxieme et troisieme transistors) de meme polarite, fonctionnant a la maniere d'un etage push-pull. L' invention est appl icable de man i ere pl us avantag euse si l es transistors mentionnes ci-dessus vent des transistors bipolaires. Toutefois, on peut envisager de la mettre en ceuvre egalement avec des transistors a effet de champ MOS, et dans ce cas on considerera, pour une definition generale de ['invention avec le vocabulaire simple des transistors bipolaires, que les mots base, emetteur et collecteur designent respectivement la grille, ia source et le drain du transistor MOS. De preference, la taille du premier transistor est N fois plus grande que celle du troisieme transistor et la taille du deuxieme transistor est dans le meme rapport N avec le quatrieme transistor, les premiere et deuxieme sources fournissant des courants dans le meme rapport N. On prevoit de prerence un cinquieme transistor, ayant sa base polarisee par une tension fixe, son emetteur relic a la masse par une resistance, et son collecteur relic a la base du troisieme transistor et a l'emetteur du quatrieme. II a de preference une taille N fois plus faible que celle du troisieme transistor. Le rapport N est choisi relativement eleve, par exemple egal a 8 ou 16, pour reduire la taille des deuxieme, troisieme, quatrieme et cinquieme transistors et leurs courants de repos dans le meme rapport, ia taille du premier transistor etant dictee par le courant de sortie desire, done par la puissance de sortie desiree. De preference encore, I'amplificateur selon ['invention comporte deux demi-amplificateurs identiques, commandes par des tensions d'entree 3 2840466 differentielles identiques mais en opposition de phase. Le circuit integre comporte alors deux sorties et ces sorties fournissent chacune, en opposition de phase, la moitie de la puissance de sortie desiree. Ces sorties peuvent etre reuni es a l'exterieur d u circu it integre par un circuit de coupl age q ui regroupe, en les mettant en phase et en adaptant eventuellement ['impedance, ies courants fournis par les deux sorties. Le circuit integre selon ['invention peut inclure d'autres elements que l'amplificateur de sortie. Dans une application particutiere, le circuit integre est un synthetiseur de frequence, comprenant un oscillateur a o frequence controlee et l'amplificateur. II etablit alors une frequence radio desiree, I'amplifie et la fournit a sa sortie a une puissance de plusieurs centaines de milliwatts. D'autres caracteristiques et avantages de ['invention apparatront t 5 a la lecture de la description detaiilee qui suit et qui est faite en reference aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 represente le schema de principe de l'amplificateur selon ['invention; - la figure 2 represente un amplificateur constitue par ['association de deux etages amplificateurs travaillant en opposition de phase, leurs sorties etant couplees a travers un coupleur hybride. Sur la figure 1, on volt le dernier etage de l'amplificateur selon ['invention. Les etages precedents, s'il y en a, ne posent pas de probleme particulier et ne seront pas decrits. Iis fournissent au dernier etage un signal differentiei a amplifier, entre deux points d'entree E et E' du dernier etage. Les entrees E et E' voient leurs potentials varier en opposition de phase autour d'un potentiel de mode commun Vmc defini par la polarisation de sortie de ltetage precedent le dernier etage. Le dernier etage de l'amplificateur comporte essentiellement quatre transistors Q1 a Q4 dont on va decrire les connexions et les fonctions. II comporte de preference egalement un cinquieme transistor auxiliaire Q5. Dans la realisation preferentielle qui est decrite ici, la technologie de circuit integre utilisee est une technologie mixte bipolaire et CMOS 3s (technologie BiCMOS). Dans ce cas les cinq transistors Q1 a Q5 vent des 4 2840466 transistors bipolaires. Ce n'est que dans le cas ou la technologie utilisee serait purement MOS ou CMOS que ces transistors seraient obligatoirement des transistors a effet de champ. Le premier transistor Q 1 est le transistor de sortie de I'amplificateur. Son collecteur est relic a une broche de sortie S du circuit integre. Ce transistor est monte en emetteur commun (commande par la base, emetteur relic par une resistance R1 a une masse M du circuit, sortie sur le collecteur). La base du transistor Q1 est commandee simultanement par o l'emetteur du deuxieme transistor Q2 et le collecteur du troisieme transistor Q3. Le deuxieme transistor Q2 fournit un courant entrant croissant a la base du transistor de sortie Q1 lorsque la tension d'entree en E crot et la tension en E' decrot. Le troisieme transistor Q3 tire un courant croissant hors de la base du transistor de sortie Q] dans le cas contraire, c'est-a-dire lorsque la tension d'entree en E decrot et la tension en E' crot. La base du deuxieme transistor Q2 est reliee directement au point d'entree E. Le transistor Q2 est monte en suiveur (entree sur la base, sortie sur l'emetteur, collecteur de preference directement relic a une alimentation positive Vcc). Son emetteur est relic directement a la base du transistor de sortie Q1. Le troisieme transistor Q3 est monte en emetteur commun (commande par la base, emetteur relic par une resistance R3;a la masse M, sortie sur le collecteur relic a la base du transistor de sortie Q1). Ce troisieme transistor a sa base reliee a l'emetteur du quatrieme transistor Q4 pour etre commande par ce dernier. Le quatrieme transistor Q4 est monte en suiveur (entree sur la base, sortie sur l'emetteur, collecteur relic a l'alimentation Vcc). Sa base est reliee a ['entree E'. Son emetteur est relic a la base du troisieme transistor Q3. Pour le fonctionnement correct, en suiveur de tension, des transistors Q2 et Q4, on prevoit de preference que leurs emetteurs vent relies chacun par une source de courant constant respective reliee a la masse M. Chaque source de courant est de preference constituee par un transistor MOS respectif. Pour le transistor Q2 la source de courant est un transistor MOS M2 connecte entre l'emetteur de Q2 et la masse M et 2840466 fournissant un courant 12; ce transistor M2 a sa base commandee par un potentiel constant Vgn; pour le transistor Q4 la source de courant est un transistor MOS M4 connecte entre l'emetteur de Q4 et la masse M et fournissant un courant 14; ce transistor M4 a sa base commandee par le meme potentiel Vgn que le transistor M2. Les transistors M2 et M4 vent homothetiques, de sorte que les courants 12 et 14 vent dans le meme rapport que les tailles des transistors M2 et M4. Ces transistors M2 et M4 pourraient aussi etre des transistors bipolaires. Le circuit fonctionne de la maniere qui va maintenant etre o expliquee. Pour les alternances positives du signal differentael a amplifier (en prenant la reference de signal positif de la maniere suivante: tension plus elevee sur ['entree E, moins elevee sur ['entree E', autour du potentiel de mode commun Vmc), on tend a mettre en conduction le transistor de sortie Q1 par l'intermediaire du transistor suiveur Q2. Dans le mame temps, le transistor Q4 tend a se bloquer' le courant dans le transistor Q3 decrot et ne stoppose done pas a ['augmentation de la conduction du transistor de sortie. La situation est differente pour les alternances negatives du signal a amplifier. Lorsque la tension sur E diminue et la tension sur E' augmente, le courant de base du transistor de sortie Q1 tend a diminuer et le courant de collecteur de ce transistor Q1 decrort egalement. La capacite d'entree du transistor Q1 est relativement elevee et tend a s'opposer a cette baisse du courant de base de Q1. Mais la presence du transistor Q3, qui devient plus conducteur du fait de sa commande par le transistor Q4, aide a diminuer le courant de base du transistor Q1. Le potentiel de mode commun Vmc (compte par rapport a la masse M), autour duquel varient les potentials sur E et E', peut etre de l'ordre de deux fois une tension base-emetteur de transistor (par exemple 1,3 volt). Le transistor de sortie Q1 a une taille suffisante pour laisser passer tout le courant de sortie desire, par exemple un courant de quelques centaines de milliamperes. Les tailles du transistor Q2 et du transistor Q3 vent beaucoup plus faibles puisqu'ils doivent conduire un courant de l'ordre du courant necessaire a la commande de la base de Q1. Le rapport N entre 6 2840466 la taille du transistor Q1 et le transistor Q3 est de preference inferieur a la racine carree du gain en courant du transistor Q1. La commande du transistor Q3 se fait par l'intermediaire du transistor Q4 de la meme maniere que ia commande du transistor Q1 se fait par l'intermediaire du transistor Q2: le transistor Q3 est monte en emetteur commun et commande par le transistor Q4 monte en suiveur, de meme que le transistor Q1 est monte en emetteur commun et commande par le transistor Q2 monte en suiveur. Le rapport entre la taille du transistor Q2 et celle du transistor Q4 est en principe egal au rapport N entre la taille de Q1 et celle de Q3 pour que les courants soient homothetiques. Le rapport entre les courants 12 et 14 est le meme rapport N. et le rapport entre les tailles des transistors M2 et M4 est aussi le meme, ces transistors ayant leur grille commandee par le meme potentiel Vgn. L' impedance d'entree vue du point E (entree sur la base de Q2) niest pas a priori la meme que celle vue du point E' (entree sur la base de Q4) car le transistor Q4 n'est a priori charge que par le transistor Q3 et la source de courant 14, alors que le transistor Q2 est charge a la fois par le transistor Q1, ia source de courant 12 et te transistor Q3. C'est pourquoi on prevoit de preference le rajout d'un transistor auxiliaire Q5, dispose vis-a-vis zo du transistor Q4 de la meme maniere que le transistor Q3 est dispose par rapport au transistor Q2. Le transistor Q5 a son emetteur charge par une resistance d'emetteur R5, son collecteur retie a l'emetteur de Q4, et sa base est commandee par un potentiel Vrnc constant egal au potentiel moyen sur la base de Q1. s La taille du transistor Q5 est N fois plus faible que la taille du transistor Q3, elle-meme N fois plus falble que celle de Q1. La resistance d'emetteur R5 est N fois plus forte que la resistance R3, elle- meme N fois plus forte que la resistance R1. II en resulte que le transistor Q5 est NxN fois plus petit que le transistor Q1. Le rapport N sera choisi de maniere que le transistor Q5 ne soit pas plus petit que ce que permet la technologie compte tenu de la taille choisie pour le transistor Q1. Par exemple un rapport N = 8 ou N = 16 pourra convenir pour un amplificateur dont le transistor de sortie permet de fournir un courant de 300 milliamperes. Ceci suppose, comme on l'a dit precedemment, que le gain en courant du transistor de sortie Q1 soit au 7 2840466 moins egal a N2, c'est-a-dire a 64 ou 256, ce qui ne pose pas de probleme particulier. Avec le transistor Q5 ainsi correctement dimensionne, on a une egalitb structurelle des densites de courant qui garantit une excellente independence du fonctionnement vis-a-vis des variations de parametres technologiques. En effet, les choix de dimensions de transistors et de transistors auxiliaires permettent de s'assurer que les points de polarisation des transistors vent identiques et qu'une meme variation de tension base 0 emetteur sur deux transistors homothetiques engendre des variations de courants homothetiques dans le rapport des tailles des transistors. Cependant, Mais en haute frequence interviennent en outre les capacites de s transistors. Or les courants d'entree s ur E et E' vent differents et l es capacites vues sur ces entrees vent differentes. La capacite d'un gros transistor est plus grande que celle d'un petit transistor, de sorte que la capacite vue de ['entree E est beaucoup plus grande que la capacite vue de ['entree E' (dans le rapport N). Or le fonctionnement correct de l'etage amplificateur suppose en principe que les signaux prbsents sur E et E' vent veritablement en opposition de phase, faute de quoi le rendement de l'amplificateur peut chuter de maniere importante (plusieurs pourcents de rendement perdus pour un decalage de phase de quelques degree); mais la presence de capacites d'entree differentes tend a empecher une exacte opposition de phase, dans la mesure ou ['impedance de sortie de l'etage qui est situe en amont des entrees E et E' n'est pas infiniment faible. Par consequent, on essaie de resoudre ce probleme sans exiger une impedance de sortie extremement faible en amont des entrees E et E'. Pour cela, on dedouble l'etage d'amplification en un premier demi-etage A1 et un deuxieme demi-etage A2 qui regoivent les memes entrees mais croisees de maniere a agir rigoureusement en opposition de phase. Ainsi, I' un des si gnaux d' entree sera appliqu e simultanement au transistor Q2 de l'etage A1 et au transistor Q4 de l'etage A2, tandis que l'autre signal d'entree, en opposition de phase avec le premier, sera applique au transistor Q4 de l'etage A1 et au transistor Q2 de l'etage A2. Les sorties des deux amplificateurs, en opposition de phase puisqu'on a croise leurs entrees, 8 2840466 seront remises en phase avant d'etre additionnees (en courant) pour constituer une sortie unique d'amplificateur. Avec cette construction en deux demi-etages symetriques, on resout le probleme de la dissymetrie des capacites d'entree puisque chaque entree E ou B' volt maintenant en parallele a la fois un gros transistor (Q2) de l'un des demi-etages et un petit transistor (Q4) de l'autre demi-etage. Les demi- etages A1 et A2 utilisent des transistors deux fois plus petite que s'il n'y avait qu'un seul etage, pour un courant de sortie finli determine, done pour une puissance d'amplicateur determinee. t o La figure 2 represente la constitution de l'amplificateur ainsi dedouble. Dans la realisation representee, on a suppose qu'il y avait un etage preamplificateur commun PA recevant un signal d'entree differentael a amplifier. Ce signal d'entree est applique entre deux entrees In et In'. Le preamplificateur fournit une sortie differentielle en deux points E et E' avec une tension de mode commun Vmc qui est reglee par la polarisation des transistors de sortie du preamplificateur. L'etage d'amplification principal comprend deux demi-amplificateurs identiques A1 et A2 constitues chacun comme a la figure 1. On considere que ces etages ont chacun une premiere entree non-inverseuse, reperee par le signe positif + et une deuxieme entree reperee par le signe negatif -. Par exemple, I'entree + est celle qui correspond a la base du transistor Q2 tandis que l'entreeest celle qui correspond a la base du transistor Q4. Les demi-amplificateurs ont leurs entrees croisees, c'est-a-dire que le point E est connecte a ['entree + de l'etage A1 et a ['entree - de l'etage A2, alors qu'inversement le point E' est relic a ['entree - de l'etage A1 et a ['entree + de l'etage A2. L'etage A1 a une sortie S1 qui est une borne exterieure du circuit- integre. L'etage A2 a une sortie semblable S2, qui est une autre borne exterieure du circuit integre. Le circuit integre comprend les deux etages A1 et A2 et le preamplificateur PA et eventuellement d'autres elements non representes. Les sorties S1 et S2 fournissent des courants en opposition de phase. Ces courants vent additionnes a l'exterieur du circuit integre, apres avoir ete remis en phase. Cette remise en phase et cette addition peuvent etre realisee par differents moyens: transformateur a enroulements convenablement orientes 9 2840466 (pour des frequences peu elevees), ou coupleur hybride (pour des frequences plus elevees), ou encore lignes couplees electromagnetiquement (pour des frequences tres elevees). Ces elements realisent en meme temps une adaptation d'irnpedance pour adapter ['impedance de sortie de I'amplificateur a ['impedance de la charge a alimenter, dans le cas ou le transistor de sortie d'un etage A1 ou A2 fonctionne de maniere optimale a une impedance de sortie qui n'est pas egale a ['impedance de la charge. Sur la figure 2, on a represente un coupleur hybride CH a inductances et capacites, dont les deux entrees vent connectees aux bornes 0 de sortie S1 et S2 et dont la sortie est constituee par une borne OUT et la masse. La sortie OUT fournit la somme des courants de sortie des amplificateurs A1 et A2, remis en phase. Cette sortie OUT peut-etre connectee directement a une antenne radio dans une application d'emission radio a faible puissance. La charge peut-etre de 50 ohms, la frequence de 917 MHz ou piUS7 et l'alimentation peut etre de 2,4 a 3 volts si le circuit integre est realise en technologie BiCMOS sur silicium. On remarquera qu'avec cette constitution avec deux courants de sortie en opposition de phase, I'amplificateur emet un rayonnement parasite mo indre que s'i l n'y avait q u'une se ul e sortie. En effet, l es demi-cou rants en opposition de phase tendent a annuler leurs rayonnements propres. Le schema d'amplificateur selon ['invention permet entre autres de fournir une puissance relativement independante des variations de la tension d'alimentation Vcc, ce qui est utile dans des applications fonctionnant sur batterie ou piles pour lesquelles la tension d'alimentation tend a baisser (du fait de la resistance interne de la batterie ou de la pile) lorsque i'amplificateur fonctionne a pleine puissance. L'absence d'elements accordes dans le circuit integre permet que l'amplificateur fonctionne dans une large gamme de frequences. Seuls les elements exterieurs (ceux du coupleur hybride par exemple) seront determines en fonction de la frequence de travail desiree. Pour polari ser [' entree des de m i-ampl ificateurs A1 et A2 a une tension de mode commun d'entree Vmc relativement independante de la temperature et des variations technologiques, on peut utiliser un circuit auxiliaire qui agit sur la polarisation de la sortie du preamplificateur PA. Pour 1 0 2840466 cela, on peut realiser sur le meme circuit integre un amplificateur auxiliaire identique aux etages amplificateurs A1 et A2 mais de taille reduite (tous les transistors etant homothetiques de ceux de A1 et A2). Cet amplificateur aura - pour entree une tension de mode commun Vmc (pas de signal differentael en entree de l'amplificateur auxiliaire) qui sera utilisee pour constituer la polarisation de la sortie du preamplificateur. Cette tension de mode commun sera asservie de tel le maniere que le courant de repos dans l'ampl ificateur auxiliaire (et par consequent dans les amplificateurs A1 et A2) soit rendu stable, au premier ordre, malgre les variations de temperature, de tension o d'alimentation et de technologie. La stabilite de courant de repos obtenue pour l'amplificateur auxiliaire par une action sur le potentiel Vmc engendrera une stabilite analogue des courants de repos des amplificateurs A1 et A2 polarises par la meme tension de mode commun Vmc. Le circuit integre peut fonctionner meme avec une tension d'alimentation aussi basse que 2,2 volt etant donne le falble nombre de jonctions en serie entre l'alimentation Vcc et la masse. Le circuit integre qui comporte l'amplificateur selon ['invention peut avoir ou non des entrees exterieures pour un signal a amplifier. C'est le cas si le circuit integre a une fonction d'amplificateur d'un signal. Ce ntest pas le cas si c'est par exemple un synthetiseur de frequence ayant comme entree un oscillateur forme sur la meme puce de circuit integre. 1 1 2840466 REVEN[)ICATIONS 1. Circuit integre comportant un arnplificateur dont le dernier etage comprend deux points d'entree de signal a amplifier E et E' recevant en differentael un signal a amplifier, et quatre transistors principaux de meme type de conductivite, ayant chacun une base, un emetteur et un collecteur, parmi lesquels un premier transistor ou transistor de sortie (Q1) monte en emetteur commun, dont le collecteur est relic a une sortie (S) du circuit integre, un deuxieme transistor (Q2) monte en suiveur de tension entre le point E et la base du transistor de sortie (Q1), un troisieme transistor (Q3) o monte en emetteur commun, ayant son collecteur relic a ia base du transistor de sortie (Q1), un quatrieme transistor (Q4) monte en suiveur de tension ayant sa base reliee au point E' et son emetteur relic a la base du troisieme transistor (Q3), le circuit comprenant encore une premiere source de courant (M2) reliee a la base du premier transistor (Q1) et une deuxieme source de courant (M4) reliee a la base du troisieme transistor (Q3). 2. Circuit integre selon la revendication 1, caracterise en ce que les quatre transistors vent tous des transistors bipolaires. 3. Circuit integre selon l'une des revendications 1 et 2, caracterise en ce que la taiile du transistor de sortie (Q1) est N fois plus grande que celle du troisieme transistor (Q3). 4. Circuit integre selon la revendication 3, caracterise en ce que la taille du deuxieme transistor (Q2) est dans le meme rapport N avec le quatrieme transistor (Q4). 5. Circuit integre selon la revendication 4, caracterise en ce que les premiere et deuxieme sources de courant fournissent des courants dans le meme rapport N. 6. Circuit integre selon l'une des revendications 3 a 5, caracterise en ce qu'il est prevu une resistance d'emetteur (R1) entre l'emetteur du transistor de sortie (Q1) et une masse (M), et une resistance d'emetteur (R3) 2 2340466 entre l'emetteur du troisieme transistor et la masse (M), la resistance d'emetteur (R1) du transistor de sortie etant N fois plus faible que la resistance d'emetteur (R3) du troisieme transistor. 7. Circuit integre selon l'une des revendications 1 a 5, caracterise en ce qu'il comporte un cinquieme transistor (Q5), ayant sa base polarisee par une tension fixe (Vmc), son emetteur relic a la masse par une resistance d'emetteur (R5), et son collecteur relic a la base du troisieme transistor (Q3). o 8. Circuit integre selon la revendication 7, caracterise en ce que le cinquieme transistor (Q5) a une taille plus faible que celle du troisieme transistor (Q3), dans le meme rapport que le rapport des tailles des premier et troisieme transistors. 9. Circuit integre caracterise en ce qu'il comporte deux demi amplificateurs (A1, A2) selon l'une des revendications 1 a 8, recevant des signaux d'entree identiques et en opposition de phase et ayant deux sorties reliees par un circuit de coupl age (C H) apte a addition ner les courants de sortie, remis en phase, des demi-amplificateurs. 10. Circuit integre selon la revendication 9, caracterise en ce que les sorties des demi-amplificateurs vent des sorties du circuit integre et en ce que le circuit de couplage (CH) est exterieur au circuit integre.