Brevet FR2847745A1 — publié le 20040528

Procédé de réduction de la non-linéarité d'ordre trois d'un transistor d'un étage amplificateur radiofréquence et étage correspondant. L'invention concerne les étages d'amplification radiofréquence, et plus particulièrement la réduction de leur nonlinéarité d'ordre trois. L'invention s'applique avantageusement mais non limitativement aux composants de systèmes de communication sans fil, par exemple des téléphones mobiles cellulaires, par exemple ceux régis par la norme GSM qui utilise une modulation à enveloppe constante, ou encore ceux régis par la norme WCDMA qui utilise une modulation à enveloppe non constante. Les transistors étant des dispositifs non linéaires, une intermodulation se traduit par l'apparition de raies d'intermodulation dans le canal de communication, provoquant une dégradation du rapport signal/bruit, ou bien une erreur de trajectoire de phase. Cette intermodulation peut se traduire en réception ou en émission par la valeur en dBm, d'un point d'interception d'ordre 3 (IP3) selon une dénomination bien connue de l'homme du métier. Plus la valeur de ce point est élevée, plus l'intermodulation et par conséquent la non-linéarité d'ordre 3, est faible, et par conséquent meilleure est la réception ou l'émission. On rappelle ici que lorsqu'on applique deux signaux ou tons ayant la même amplitude et des fréquences différentes à un dispositif non linéaire, tel qu'un simple transistor polarisé idéalement par une inductance de choc, on obtient, dans le signal de sortie, deux termes de distorsion harmonique ayant des fréquences respectivement égales au double des fréquences des deux signaux d'entrée, et deux termes de distorsion harmonique ayant des fréquences respectivement égales au triple des fréquences des signaux d'entrée. On obtient, par ailleurs, deux composantes d'intermodulation d'ordre 2 (IMD2), ayant respectivement des fréquences égales à la somme et à la différence des fréquences des deux signaux d'entrée. On obtient encore quatre composantes d'intermodulation d'ordre 3 (IMD3), respectivement égales à 2fA+fB, fA+2fB, 2fA-fB, 2fBfA, O fA et fB désignent les fréquences des deux signaux d'entrée. Les quatre composantes d'intermodulation d'ordre 3 (IMD3) sont représentatives de la non-linéarité d'ordre 3 et par conséquent du point d'interception d'ordre 3 (IP3). Lorsque les fréquences fA et fB sont proches du canal de transmission utile, la composante d'intermodulation d'ordre 3 dont la fréquence est égale à 2fB-fA, peut se situer dans la bande utile du signal et peut par conséquent perturber ce signal. On sait, par ailleurs, que l'intermodulation d'ordre 3 peut être dégradée en raison de la présence de contre-réaction basse fréquence de type fA+fB, qui conduit à une recombinaison parasite supplémentaire entre la composante d'intermodulation d'ordre 2 dont la fréquence est égale à la différence des fréquences des deux signaux d'entrée, et l'une ou l'autre des fréquences des deux signaux d'entrée. Aussi, a-t-il été proposé, dans un article de Keng Leong Fong, intitulé " High-Frequency Analysis of Linearity Improvement Technique of CommonEmitter Transconductance Stage Using a Low20 Frequency-Trap Network ", IEEE, Journal of Solid-State Circuits, Volume 35, N08, Aot 2000, d'utiliser un filtre " trappe " accordé à la fréquence d'écartement des tons utilisés pour un test d'intermodulation. En d'autres termes, si les deux tons ont une fréquence égale à f1 et f2, le filtre " trappe " utilisé est alors accordé à la fréquence fl-f2, et vise par conséquent à augmenter le point d'interception d'ordre 3 en diminuant la composante d'intermodulation d'ordre 2 dont la fréquence est égale à l'espacement fréquentiel des deux tons. Cependant, le réseau résistif-inductif-capacitif de filtrage " trappe ", accordé à des fréquences comprises entre 100 KHz et 10 MHz suivant les normes de transmission utilisées, et placé en parallèle du circuit de polarisation, est obligatoirement réalisé à l'extérieur du circuit intégré, ce qui représente un inconvénient majeur pour cette technique. L'invention propose une solution radicalement différente de celle existant jusqu'à maintenant, pour réduire la non-linéarité d'ordre 3 d'un étage amplificateur, c'est-à-dire pour diminuer l'IMD3 et par conséquent augmenter le point d'interception d'ordre 3 (IP3). A cet égard, l'invention part de l'observation que des contreréactions parasites autour du transistor introduisent une perturbation supplémentaire de type fA-fB au niveau de l'IMD3, en raison de la recombinaison entre les fréquences 2f1 et f2 ou 2f2 et fl, f1 et f2 désignant les fréquences des deux tons présents à l'entrée du transistor associé à sa polarisation réelle. L'invention propose donc un procédé de réduction de nonlinéarité d'ordre trois d'un transistor d'un étage amplificateur radiofréquence, dans lequel on réduit la composante harmonique d'ordre deux égale au double de la fréquence de l'un ou l'autre de deux tons prédéterminés par exemple utilisés dans un test d'intermodulation prédéterminé. Ainsi, selon l'invention, on réduit l'intermodulation d'ordre 3 (IMD3) en évitant les recombinaisons supplémentaires de type fA-fB en agissant sur les produits harmoniques d'ordre 2 (H2). A titre indicatif, la fréquence d'écartement des tons dans le cas d'une réponse à des tests d'intermodulation à deux tons utilisés pour un système de transmission régi par la norme GSM, se situe aux alentours de 800 KHz. On pourra donc, par exemple, utiliser un premier ton ayant une fréquence égale à 1,85 GHz, et un deuxième ton égal à 1,85 GHz + 800 KHz. Dans le cas d'un système de communication utilisant une modulation régie par la norme WCDMA, la fréquence d'écartement des tons dans le cas d'un test d'intermodulation est de l'ordre de 10 MHz. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on connecte sur l'émetteur de transistor un filtre " trappe " destiné à filtrer les produits harmoniques ayant une fréquence égale au double de l'une ou l'autre des fréquences des deux tons. Plus précisément, on connecte par exemple sur l'émetteur de transistor un circuit résonant accordé sur la somme des fréquences prédéterminées des deux tons. Bien que l'on ait choisi préférentiellement un accord sur la fréquence centrale fl+f2, on aurait pu choisir un circuit résonant accordé sur la fréquence 2f1 ou 2f2. Ce circuit résonant, en pratique et de préférence inductif5 capacitif, agit ainsi comme un filtre destiné à filtrer les produits harmoniques ayant une fréquence égale au double de l'une ou l'autre des fréquences des deux tons. L'invention a également pour objet un étage amplificateur radiofréquence, comportant un transistor et des moyens de réduction connectés au transistor et aptes à réduire la non-linéarité d'ordre trois du transistor. Selon une caractéristique générale de l'invention, les moyens de réduction sont aptes à réduire la composante harmonique d'ordre deux égale au double de la fréquence de l'un ou l'autre de deux tons prédéterminés par exemple utilisés dans un test d'intermodulation pré déterminé. Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens de réduction comportent un filtre " trappe " connecté sur l'émetteur du transistor et destiné à filtrer les produits harmoniques ayant une fréquence égale au double de l'une ou l'autre des fréquences des deux tons. Le filtre " trappe " comporte par exemple un circuit résonant accordé sur la somme des fréquences prédéterminées des deux tons. L'étage est avantageusement réalisé sous la forme d'un circuit intégré. L'invention vise également un composant d'un système de communication sans fil, par exemple un téléphone mobile cellulaire, incorporant un étage amplificateur, par exemple un étage amplificateur faible bruit tel que défini ci-avant. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels: -la figure 1 illustre un étage amplificateur selon l'art antérieur, polarisé idéalement par une inductance de choc; et -la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un étage amplificateur selon l'invention, permettant une mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Sur la figure 1, la référence LNA désigne un étage amplificateur radiofréquence, comportant un transistor amplificateur Q1, ici un transistor bipolaire, dont le collecteur est relié à la tension d' alimentation VDD par l'intermédiaire d'une charge radiofréquence, non représentée ici à des fins de simplification. Par ailleurs, l'émetteur du transistor amplificateur Q1 est relié à la masse par une impédance inductive Le. Un circuit de polarisation, représenté ici par une inductance (ou self) de choc L, associée à une tension de polarisation VBIAS, est connecté dans l'exemple décrit ici sur la base du transistor QI. Le signal radiofréquence à amplifier, représenté par la tension Ve, est reçu sur une entrée radiofréquence et est délivré sur la base du transistor Q1 par l'intermédiaire d'un réseau d'adaptation ZA. D'une façon générale, l'étage radiofréquence, selon l'invention, peut fonctionner aussi bien dans une chaîne d'émission que dans une chaîne de réception, et en particulier dans les chaînes d'émission et/ou de réception des terminaux distants, tel qu'un téléphone mobile cellulaire TP, appartenant à un système de communication sans fil, et ce, quelle que soit la norme de transmission utilisée, par exemple la norme GSM ou bien la norme WCDMA. Ainsi, à titre indicatif, un tel étage peut être incorporé au sein d'un amplificateur faible bruit LNA, présent en tête d'une chaîne de réception. En émission, l'étage amplificateur selon l'invention peut faire partie d'un préamplificateur de puissance ou d'un amplificateur de puissance, le transistor bipolaire Q1 pouvant être alors un transistor MOS. En présence de deux signaux d'entrée, d'égale amplitude, et ayant des fréquences fA et fB, comme par exemple des signaux ou tons utilisés dans un test d'intermodulation à deux tons, le spectre fréquentiel du signal de sortie comporte, deux termes de distorsions harmoniques ayant comme fréquence 2fA et 2fB, et deux composantes d'intermodulation d'ordre 2 (IMD2), ayant respectivement comme fréquence fA+fB et fA-fB* Par ailleurs, le spectre comporte également deux termes de distorsions harmoniques ayant comme fréquence 3MA et 3MB (non représentés à des fins de simplification sur la partie basse de la figure 1), et quatre composantes d'intermodulation d'ordre 3 (IMD3), ayant respectivement comme fréquence 2fA+fB, fA+2fB, 2fA-fB, et 2fB-fA* Sur la figure 1, seules les composantes 2fB-fA et 2fAfB sont représentées. Dans l'exemple décrit, la composante d'intermodulation d'ordre 3 (IMD3), ayant comme fréquence 2fB-fA, est celle qui se situe dans le canal de transmission désiré DCH du téléphone mobile, ou en d'autres termes dans la bande fréquentielle du signal utile. Il a été observé que les contre-réactions parasites d'ordre deux du transistor introduisaient une intermodulation supplémentaire, du type fAfB entre les fréquences 2f1 et f2 ou entre les fréquences 2f2 et f1, o f1 et f2 désignent les fréquences des deux tons présents à l'entrée de l'étage amplificateur LNA selon l'invention et illustré sur la figure 2. Aussi, l'invention propose-t-elle de réduire la non-linéarité d'ordre 3 de l'étage amplificateur, c'est-à-dire l'intermodulation d'ordre 3 (IMD3), en réduisant la composante harmonique d'ordre deux égale au double de la fréquence de l'un ou l'autre des deux tons présents à l'entrée du transistor Qj. A cet effet, selon un mode de réalisation de l'invention, illustré sur la partie haute de la figure 2, on connecte sur l'émetteur du transistor Q1 un circuit résonant, généralement formé de l'inductance Le associée à un condensateur Ce connecté en parallèle sur cette inductance Le. Ce circuit résonant CRT est accordé sur la fréquence fl+f2 et il agit comme un filtre " trappe " destiné à filtrer les produits harmoniques ayant une fréquence égale à 2f1 ou 2f2. De ce fait, comme illustré sur la partie basse de la figure 2, les composantes 2fl, f1+f2 et 2f2 sont réduites. Par conséquent, l'intermodulation d'ordre 3 (IMD3) résultant de la combinaison de ces fréquences avec les fréquences f1 ou f2 s'en trouve réduite d'une valeur égale à AIMD3 par rapport à un étage amplificateur de l'art antérieur. A titre d'exemple, pour un test d'intermodulation d'ordre 2 utilisé dans la norme GSM, dans laquelle la fréquence d'écartement des tons est égale à 800 KHz, la fréquence f1 est égale à 1,85 GHz et la fréquence f2 est égale à 1,85 GHz + 800 KHz. Avec une puissance d'entrée des tons égale à -49 dBm et un circuit résonant accordé sur la fréquence de 3,7 GHz, on obtient une augmentation du point d'intersection d'ordre 3 (IP3) de 4 dB. D'une façon générale, l'ensemble " réseau d'adaptation ZA, transistor QI, circuit résonant CRT " ne doit pas osciller. Une façon de garantir cette non-oscillation consiste à avoir la somme de la partie réelle de l'impédance du circuit d'adaptation ZA et de la partie réelle de l'impédance d'entrée du transistor, toujours positive. Dans le cas o l'impédance du réseau d'adaptation ZA est parfaitement connue dans le spectre fréquentiel envisagé, on ajustera la valeur de Ce, de façon à obtenir un circuit résonant accordé à la somme des fréquence des deux tons. Par contre, dans le cas o cette impédance du circuit de réseau d'adaptation n'est pas parfaitement connue, il est alors préférable de connecter en série avec le condensateur Ce, une résistance Rei comme illustré en pointillés sur la partie haute de la figure 1, pour éviter tout risque d'oscillation. REVENDICATIONS 1-Procédé de réduction de la non-linéarité d'ordre trois d'un transistor d'un étage amplificateur radiofréquence, caractérisé par le fait qu'on réduit la composante harmonique d'ordre deux égale au double (2fjou 2f2) de la fréquence de l'un ou l'autre de deux tons prédéterminés par exemple utilisés dans un test d'intermodulation prédéterminé. 2-Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on connecte sur l'émetteur du transistor (QI) un filtre " trappe " (CRT) destiné à filtrer les produits harmoniques ayant une fréquence égale au double de l'une ou l'autre des fréquences des deux tons. 3-Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on connecte sur l'émetteur du transistor (Q1) un circuit résonant (CRT) accordé sur la somme des fréquences prédéterminées des deux tons. 4-Etage amplificateur radiofréquence, comportant un transistor et des moyens de réduction connectés au transistor et aptes à réduire la nonlinéarité d'ordre trois du transistor, caractérisé par le fait que les moyens de réduction (CRT) sont aptes à réduire la composante harmonique d'ordre deux égale au double (2fou 2f2) de la fréquence de l'un ou l'autre de deux tons prédéterminés par exemple utilisés dans un test d'intermodulation prédéterminé. -Etage selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les moyens de réduction comportent un filtre " trappe " (CRT) connecté sur l'émetteur du transistor (Qj) et destiné à filtrer les produits harmoniques ayant une fréquence égale au double de l'une ou l'autre des fréquences des deux tons. 6-Etage selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le filtre " trappe " comporte un circuit résonant (CRT) accordé sur la somme des fréquences prédéterminées des deux tons. 7-Etage selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le circuit résonant est inductif-capacitif. 8-Etage selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le circuit résonant comporte un élément inductif (L) connecté sur l'émetteur du transistor (QI), et un réseau résistif-capacitif connecté sur l'émetteur du transistor en parallèle avec l'élément inductif. 9-Etage selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait qu'il est réalisé sous forme d'un circuit intégré. -Composant d'un système de communication sans fil, caractérisé par le fait qu'il incorpore un étage selon l'une des revendications 4 à 9. il-Composant selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'il forme un téléphone mobile cellulaire.