Brevet FR2911447A1 — publié le 20080718

Amplificateur de puissance reconfigurable et utilisation d'un tel amplificateur pour la réalisation d'un étage d'amplification multistandard pour la téléphonie mobile L'invention se rapporte aux amplificateurs de puissance à haute fréquence et concerne plus particulièrement les amplificateurs de puissance reconfigurables. Une application particulièrement intéressante de tels amplificateurs concerne l'élaboration d'un étage d'amplification pour poste de téléphonie mobile et, plus particulièrement, la conception d'amplificateurs de puissance reconfigurables multistandard, c'est-à-dire capable de s'adapter aux spécifications de différents standards de télécommunications. Ainsi, par exemple, un tel amplificateur de puissance reconfigurable doit pouvoir être capable de fonctionner aussi bien selon les standards UMTS (WCDMA) que selon les standards GSM, DCS ou PCS. La notion de reconfigurabilité indique que ces amplificateurs doivent être capables de modifier dynamiquement leurs propriétés en fonction du standard utilisé à un moment donné mais également du niveau de puissance d'un signal incident qui lui est appliqué afin qu'il travaille à un niveau de puissance optimum. En effet, selon certains standards, en particulier les standards GSM et GSM 1800 (DCS), en raison du type de modulation utilisée, la puissance des signaux est relativement élevée, ce qui implique une contrainte particulière pour les applications RF. C'est ainsi que le but de l'invention est de proposer un amplificateur de puissance reconfigurable, en particulier en puissance, afin de répondre dynamiquement aux contraintes spécifiques qui lui sont imposées. L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un amplificateur de puissance reconfigurable, comprenant au moins un circuit d'amplification et des moyens de commande dudit circuit d'amplification pour adapter son fonctionnement selon un signal d'entrée qui lui est appliqué. Selon une caractéristique générale de cet amplificateur, les moyens de commande comprennent des moyens pour modifier le point de compression dudit circuit d'amplification et pour adapter le gain du circuit de manière à augmenter le rendement à puissance ajoutée (PAE pour Power Added Efficiency, en anglais) du circuit pour le point de compression modifié. Ainsi, on fait varier le point de compression de manière à adapter la linéarité de l'amplificateur en fonction des conditions de fonctionnement et l'on modifie dynamiquement la PAE de manière à obtenir une PAE maximale au point de compression modifié. I1 a en effet été constaté que le rendement de l'amplificateur est maximum pour le maximum de puissance de sortie, le rendement étant plus faible pour des niveaux de puissance de sortie plus faibles. Régler la PAE maximale au niveau du point de compression modifié permet ainsi d'améliorer le rendement de l'amplificateur aux faibles puissances. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de commande comprennent des moyens pour adapter le niveau d'un courant de polarisation appliqué audit circuit. De préférence, l'amplificateur de puissance est un amplificateur bi-étagé et comporte un premier étage d'amplification et un deuxième étage d'amplification. Les moyens de commande comprennent alors des premier et deuxième moyens de commande pour adapter respectivement le fonctionnement des premier et deuxième étages d'amplification. Ainsi, par exemple, les premiers moyens de commande comprennent des moyens pour adapter le point de compression du premier étage. En ce qui concerne les deuxièmes moyens de commande, ceux-ci comprennent avantageusement des moyens pour adapter le gain du deuxième étage. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'amplificateur comporte en outre des moyens pour modifier la classe d'amplification dudit circuit d'amplification. Dans un mode de réalisation, ces moyens comprennent des moyens pour modifier l'impédance équivalente d'un réseau de sortie du circuit. Par exemple, l'amplificateur comporte ainsi des moyens de commutation pour raccorder sélectivement une capacité et une inductance montée en parallèle à la sortie du circuit. En ce qui concerne les moyens pour adapter le niveau du courant de polarisation, ceux-ci comprennent avantageusement, dans un mode de réalisation, un ensemble de sources de courant sélectivement raccordables en parallèle les unes aux autres. D'autres buts, caractéristique et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un tableau illustrant les spécifications de différents standards de télécommunication (GSM, DCS et UMTS) ; - la figure 2 est un schéma synoptique illustrant la structure générale d'un amplificateur de puissance reconfigurable conforme à l'invention ; - la figure 3 illustre le principe général de la compensation dynamique mise en oeuvre au sein de l'amplificateur de la figure 1 ; - la figure 4 est un schéma synoptique illustrant l'élaboration du courant de polarisation des circuits d'amplification de l'amplificateur de la figure 2 ; - les figures 5 et 6 illustrent la variation du point de compression du premier étage d'amplification de l'amplificateur de la figure 2 ; et - les figures 7 et 8 illustrent l'évolution de la puissance additionnée efficace de l'amplificateur de la figure 2. En se référant tout d'abord à la figure 1, un amplificateur de puissance reconfigurable doit satisfaire à plusieurs exigences spécifiques à chaque standard de télécommunication selon lequel il est destiné à fonctionner. Les standards actuels utilisent en effet des modulations de types différents qui impliquent des différences en ce qui concerne les formes des signaux RF véhiculés. A titre d'exemple, les standards GSM et GSM 1800 (DCS) utilisent une modulation de type GMSK ( Gaussian Minimum Shift Keying , en anglais) tandis que le standard UMTS utilise la modulation QPSK ( Quaternary Phase Shift Keying , en anglais). En ce qui concerne le standard UMTS, les signaux transmis ont une enveloppe non constante, ce qui signifie que l'enveloppe du signal RF varie en fonction du temps. Mais elle doit être préservée afin d'éviter que l'information qu'elle contient ne soit altérée. I1 est donc nécessaire que les amplificateurs RF utilisés pour le traitement des signaux présentent une bonne linéarité afin d'éviter que n'apparaisse une distorsion de l'enveloppe au cours de l'amplification. Mais les exigences en termes de puissance de sortie sont moins contraignantes. Au contraire, en ce qui concerne les standards GSM et GSM 1800 (DCS), selon la modulation GMSK utilisée, l'enveloppe est relativement constante de sorte qu'il n'est pas nécessaire de prévoir une amplification ayant une très grande linéarité. Par contre, comme l'indique le tableau visible que la figure 1, la puissance de sortie doit être relativement élevée. Afin de réduire la consommation, ce qui est un critère relativement contraignant lorsqu'il s'agit de réaliser un amplificateur de puissance reconfigurable pour poste de téléphonie mobile, l'efficacité de l'ampli et son rendement doivent être suffisants. C'est la raison pour laquelle on utilise généralement des classes de fonctionnement sinusoïdales, en particulier des amplificateurs de puissance de classe A ou de classe AB pour la réalisation d'étages de puissance pour poste de télécommunication destiné à fonctionner selon le standard UMTS, en raison de leur bonne linéarité, tandis que l'on utilise plutôt des amplificateurs de puissance de classe F pour l'élaboration d'étages de puissance pour équipements de télécommunication destinés à fonctionner selon les standards GSM, DCS ou PCS. On a représenté sur la figure 2 un amplificateur de puissance reconfigurable capable de répondre aux contraintes spécifiques de chaque standard et, en particulier, de privilégier soit le critère de linéarité, soit le critère de rendement, en fonction du standard utilisé. Comme cela sera détaillé par la suite, cet amplificateur de puissance à haute fréquence est adapté pour modifier, de manière dynamique, le point de compression (CP) du ou des étages d'amplification qu'il comporte et de modifier la classe d'amplification de ces étages afin, soit d'améliorer la linéarité de l'amplificateur, soit d'améliorer le rendement. Dans l'exemple de réalisation représenté à la figure 2, l'amplificateur comporte deux étages d'amplification E l et E2 constituant l'un un étage de pilotage (El) et l'autre un étage de puissance (E2). Comme cela est classique, chaque étage comprend un transistor, respectivement Qd et Qp. Comme on le voit sur la figure, le transistor Qd du premier étage El est associé à deux inductances L11 et L12 raccordées l'une à une source de tension continue Vcc et l'autre à la masse. De même, le transistor Qp est associé à deux inductances L21 et L22 raccordées l'une à la tension Vcc et l'autre à la masse. L'électrode de commande du transistor Qd du premier étage reçoit un signal RF,,, à haute fréquence par l'intermédiaire d'un réseau d'adaptation d'entrée 1. Le noeud commun entre l'inductance L11 et le transistor Qd est raccordé à l'électrode de commande du transistor Qp du deuxième étage 2 par l'intermédiaire d'un réseau d'adaptation inter-étages 2 conventionnel. Le noeud commun entre l'inductance L21 et le transistor Qp fournit un signal amplifié S par l'intermédiaire d'un réseau de sortie 3 comprenant, essentiellement, un réseau RLC. Par ailleurs, chaque étage est pourvu d'un circuit de polarisation, respectivement 4 et 5, servant à polariser le transistor Qd ou Qp. L'amplificateur est complété par une unité de traitement 6 recevant, en entrée, le signal RF,,, et pilotant les circuits de polarisation 4 et 5 pour polariser les transistors Qd et Qp des étages d'amplification El et E2 en fonction du signal d'entrée impliqué à l'amplificateur. Plus particulièrement, le premier circuit de polarisation 4 du premier étage El est adapté pour élaborer un courant de polarisation Ibiasd destiné à l'électrode de commande du transistor Qd afin de faire varier son point de compression (CP). Le deuxième circuit de polarisation 5 du deuxième étage E2 est, quant à lui, destiné à élaborer un courant de polarisation Ibiasp destiné au deuxième transistor Qp. En outre, l'unité de traitement 6 agit sur le réseau de sortie 3 afin de modifier la classe de fonctionnement de l'étage de puissance en modifiant l'impédance équivalente de ce réseau de sortie 3. Ainsi, selon l'amplificateur visible sur la figure 2, il s'agit essentiellement de modifier le point de compression de l'amplificateur et la classe de fonctionnement afin soit d'améliorer la linéarité, soit d'améliorer le rendement à puissance ajoutée (PAE). Ce paramètre de fonctionnement PAE est en effet constitué par le rapport entre la puissance ajoutée, c'est-à-dire la différence linéaire entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée, à une fréquence RF désirée sur le produit de la somme des courants traversant chaque étage et de la tension continue Vcc. En d'autres termes, la PAE est donnée, pour un amplificateur à deux étages, par la relation suivante : PRF (out) ùP() 7 (1) dans laquelle : - PRF(out) désigne la puissance de sortie de l'amplificateur à la fréquence RF ; - P,(in) désigne la puissance du signal d'entrée RF,,, ; et - I1 et I2 désignent les courants traversant les transistors Qd et Qp. Comme indiqué précédemment, les amplificateurs de classe sinusoïdale, tels que les amplificateurs de classe A, B, AB et C présentent une bonne linéarité mais un rendement relativement faible. Au contraire, les transistors de commutation, de classe D, E et F selon laquelle les transistors fonctionnent en mode de commutation, présentent une moins bonne linéarité mais un rendement plus important. C'est la raison pour laquelle on utilise généralement en standard UMTS un amplificateur de classe A pour réaliser l'étage de pilotage et un amplificateur de classe AB pour réaliser l'étage de puissance, tandis qu'il est préférable d'utiliser un amplificateur de classe AB pour réaliser l'étage de pilotage et un amplificateur à haut rendement (classe F) pour réaliser l'étage de puissance en standard GSM, DCS ou PCS. Afin de pouvoir faire fonctionner l'amplificateur en multistandard, il est souhaitable de pouvoir faire passer la configuration classe A/classe AB en classe AB/classe F. Dans la suite de la description, on considérera ainsi qu'il s'agit essentiellement de pouvoir dynamiquement faire passer la configuration d'un amplificateur bi-étagé des classes A/AB en classe AB/F. Mais l'invention s'applique également mutatis mutandis à la reconfiguration d'amplificateurs de puissance fonctionnant selon d'autres standards de télécommunications. PAE = (Il+12)'Vcc Les architectures des transistors des classes AB et F sont relativement proches. Elles ne diffèrent essentiellement que de par leur point de polarisation et leur impédance de sortie. Ainsi, en agissant sur le courant de polarisation Ibiasd et Ibiasp et en modifiant la configuration de l'étage de sortie, il est possible de modifier la classe de fonctionnement de chaque transistor Qd et Qp. En se référant à la figure 3, sur laquelle la courbe I désigne l'évolution de la puissance de sortie Pout en fonction de la puissance d'entrée Pin et la courbe II désigne l'évolution de la PAE en fonction de la puissance d'entrée, l'amplificateur, et en particulier le circuit de polarisation 4 du premier étage El modifie le courant de polarisation Ibiasd du transistor Qd de manière à abaisser le point de compression CP1 correspondant à un point de fonctionnement (Pour, a ; Pin, a) vers le point de fonctionnement CP1', correspondant au point de fonctionnement (Pour, b ; Pin, b) comme illustré par la flèche F. Mais, comme cela est connu en soi, la PAE est maximale pour le maximum de puissance de sortie, tandis que pour les niveaux de puissance plus bas, le rendement est plus faible. Aussi, la modification du point de compression est combinée à une compensation de gain afin d'ajuster la courbe de PAE de manière à obtenir une PAE maximale au point de compression CP1' ainsi modifié. En se référant aux figures 4 et 5 et à la figure 6, sur laquelle OCP1 et ICP1 désignent respectivement la puissance de sortie et la puissance d'entrée au point de compression à 1 dB, comme précédemment indiqué, la variation du point de compression est obtenue en modifiant le courant de polarisation Ibiasd• Par exemple, le circuit de polarisation 4 peut être constitué par une succession de sources de courant Il, I2, ...In agencées en parallèle et associées chacune à un commutateur Cl, C2, C3, .CN, piloté par l'unité centrale 6 en fonction du signal RF,u de manière à élaborer le courant de polarisation Ibiasd appliqué au transistor Qd. A cet effet, l'unité de traitement 6 est pourvue d'un détecteur assurant une détection du niveau de puissance du signal d'entrée RF,u afin, par exemple, d'abaisser le point de compression lorsque la puissance d'entrée diminue. En se référant à la figure 5, ceci peut être effectué en augmentant ou en abaissant le courant de polarisation Ibiasd en fonction du niveau de puissance d'entrée...DTD: De même, en se référant aux figures 7 et 8, la PAE peut être modifiée en augmentant ou en abaissant le courant de polarisation Ibiasd• En se référant à nouveau à la figure 2, la modification de classe d'amplification de l'amplificateur, et en particulier du deuxième étage E2, est réalisée en modifiant l'impédance équivalente du réseau de sortie 3. Ainsi, comme le montre la figure 2, le réseau de sortie 3 du deuxième étage E2 est pourvu d'un résonateur formé par l'association en parallèle d'une inductance L' et d'une capacité C' en sortie du deuxième étage E2 associé à deux commutateurs 7 et 8 interposés l'un, à savoir le commutateur désigné par la référence 7 entre le deuxième étage E2, avec interposition d'une capacité de découplage C" et le résonateur L'C', et l'autre entre le résonateur L'C' et l'impédance de sortie RLC du réseau de sortie 3. Les commutateurs 7 et 8 sont pilotés par l'unité centrale 6 de manière à court-circuiter le résonateur LC par l'intermédiaire d'une ligne de dérivation 9. Le réseau de sortie 3 peut ainsi être sélectivement configuré, sous le contrôle de l'unité centrale 6 de manière à configurer l'étage de puissance 2 soit sous la forme d'un transistor de classe AB, soit sous la forme d'un transistor de classe F, par exemple en fonction du niveau de puissance détecté du signal d'entrée RFi,,. REVENDICATIONS 1. Amplificateur de puissance reconfigurable, comprenant au moins un circuit d'amplification (El, E2), et des moyens de commande (6) dudit circuit d'amplification pour adapter son fonctionnement selon un signal d'entrée (RF,,,) qui lui est appliqué, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent des moyens (4) pour modifier le point de compression (CP1, CP1') dudit circuit d'amplification et pour adapter le gain du circuit de manière à augmenter le rendement à puissance ajoutée (PAE) du circuit pour le point de compression modifié. 2. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent des moyens pour adapter le niveau d'un courant de polarisation (IBIASD) appliqué audit circuit. 3. Amplificateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un premier étage d'amplification (El) et un deuxième étage d'amplification (E2), les moyens de commande comprenant des premiers et deuxièmes moyens (4, 5) pour adapter respectivement le fonctionnement des premier et deuxième étages (El, E2) d'amplification. 4. Amplificateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premiers moyens de commande comprennent des moyens pour adapter le point de compression du premier étage (El). 5. Amplificateur selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens de commande comprennent des moyens (5) pour adapter le gain du deuxième étage. 6. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour modifier la classe de fonctionnement dudit circuit d'amplification. 7. Amplificateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour modifier la classe de fonctionnement du circuit d'amplification comprennent des moyens pour modifier l'impédance équivalente d'un réseau de sortie (3) du circuit. 8. Amplificateur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commutation (7, 8) pour raccorder sélectivement une capacité (C') et une inductance (L') montées en parallèle à la sortie dudit circuit. 9. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que les moyens pour adapter le niveau du courant de polarisation comprennent un ensemble de sources de courant (Il, I2, ...In) sélectivement raccordables en parallèle les unes aux autres. 10. Utilisation d'un amplificateur de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour la réalisation d'un étage d'amplification multistandard pour poste téléphonique mobile.