Brevet FR2940554A1 — publié le 20100625

DISPOSITIF DE CONTROLE DE PUISSANCE D'UN SIGNAL A DYNAMIQUE D'ENTREE OPTIMISEE La présente invention concerne un dispositif de contrôle de la puissance d'un signal à dynamique d'entrée optimisée. Le dispositif selon l'invention permet un contrôle automatique du gain du dispositif de contrôle de puissance. Elle s'applique par exemple à la chaîne de réception du signal dans un dispositif de géo- io positionnement par satellite. Un dispositif à contrôle automatique de gain, notamment utilisé dans une chaîne d'émission ou de réception radio, permet d'ajuster le gain de l'amplification du signal d'entrée de manière à 15 obtenir en sortie de chaîne un niveau de signal acceptable, indépendamment de la puissance du signal d'entrée. Ceci permet de présenter au circuit situé en fin de la chaîne d'émission ou de réception, un signal dont la puissance est optimale pour garantir les performances attendues de la chaîne d'émission / réception. 20 Des dispositifs, comme par exemple des chaînes de réception de signaux en provenance de satellites équipant des dispositifs de géo-localisation tels que des récepteurs GPS, acronyme du terme anglo-saxon "Global Positioning System" ou géo-positionnement par satellite, travaillent sur de grandes 25 dynamiques d'entrée, avec des signaux de puissance extrêmement faible. II est rappelé ici que des signaux à grande dynamique d'entrée sont des signaux dont l'écart entre les niveaux les plus forts et les niveaux les plus faibles est grand. Dans de tels dispositifs, il est nécessaire de minimiser les interférences causées par toute 30 non-linéarité du système, afin de pouvoir assurer une sensibilité acceptable. Le système requiert alors une fonction dont les performances sont constantes dans toute la dynamique d'entrée. En outre, pour des applications de très faible consommation, il est nécessaire de s'assurer que le contrôle automatique de gain 35 minimise la consommation. Il existe actuellement des solutions qui consistent à utiliser des fonctions qui diminuent la dynamique de sortie en même temps que le gain, car ces fonctions présentent une dynamique d'entrée constante. De telles solutions supposent que plus la puissance du signal d'entrée est importante, plus la fonction de contrôle automatique de gain ajuste le gain dans le sens d'une diminution, abaissant ainsi la compression de sortie, c'est-à-dire la réduction du rapport entre les niveaux les plus forts et les niveaux les plus faibles. io La puissance du signal de sortie devient alors incohérente de la puissance du signal à traiter. Pour pallier ce problème, certaines solutions consistent à surdimensionner la compression de l'étage d'entrée, ce qui se fait au détriment de la consommation. Il existe d'autres solutions employant des systèmes de contre- 15 réaction sur les émetteurs, qui se font au détriment du facteur de bruit. Toutes les solutions précitées ne sont pas compatibles avec la contrainte de faible consommation, et rarement avec une alimentation basse tension. 20 Un but de la présente invention est de pallier les problèmes susmentionnés, en proposant une solution permettant de garantir les performances requises pour des signaux de faible puissance, tout en minimisant la consommation dans le cas de signaux de 25 puissance plus forte. L'invention permet d'assurer le niveau de compression requis par rapport au signal traité, par exemple un maintien à 10 dB au-dessus du signal nominal traité, et ce sur toute la dynamique du signal d'entrée. L'invention consiste à commuter de façon progressive deux chaînes d'amplification parallèles dont les 30 caractéristiques sont distinctes, et dont le gain est commandé en courant, afin de garantir à la fois la dynamique de gain attendue, ainsi qu'un niveau de compression qui soit cohérent du signal traité. A cette fin, une loi en courant est réalisée afin de répartir de manière optimale les gains des deux chaînes respectives. Avantageusement, 35 une première chaîne d'amplification comprend un premier amplificateur, et une seconde chaîne d'amplification comprend un atténuateur passif en série avec un second amplificateur. Le signal de sortie est obtenu en additionnant les signaux de sortie des deux structures parallèles. Un autre avantage de cette invention est de permettre une intégration du dispositif de contrôle de puissance dans des circuits intégrés réalisés suivant des techniques connues de type circuits intégrés monolithiques hyperfréquences ou MMIC, ou bien circuits intégrés spécialisés ou ASIC. ~o A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de contrôle de puissance d'un signal, comprenant une première chaîne d'amplification comprenant un premier amplificateur, une seconde chaîne d'amplification comprenant un atténuateur à gain fixe en série avec un second amplificateur, et un additionneur, caractérisé 15 en ce que la première chaîne d'amplification et la seconde chaîne d'amplification comprennent des moyens d'ajustement de gain, un signal d'entrée étant appliqué à la première chaîne d'amplification, et en parallèle à la seconde chaîne d'amplification, les sorties des première et seconde chaînes d'amplification étant connectées aux 20 entrées de l'additionneur, les moyens d'ajustement de gain étant aptes à répartir les gains respectifs de la première chaîne d'amplification et de la seconde chaîne d'amplification en fonction de la puissance du signal d'entrée selon une loi de répartition selon laquelle le gain de la seconde chaîne d'amplification est minimal 25 pour les puissances d'entrée les plus faibles, et le gain de la première chaîne d'amplification est minimal pour les puissances d'entrée les plus fortes, les gains de la première chaîne d'amplification et de la seconde chaîne d'amplification étant ajustés de manière indépendante et progressive pour les puissances 30 d'entrée intermédiaires. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de contrôle de puissance d'un signal décrit ci-dessus peut être caractérisé en ce que le premier amplificateur et le second 35 amplificateur sont des amplificateurs à transconductance, les moyens d'ajustement du gain comprenant des moyens de contrôle d'un premier courant Il de polarisation du premier amplificateur, et d'un second courant 12 de polarisation du second amplificateur. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de contrôle de puissance d'un signal décrit ci-dessus peut être caractérisé en ce que les moyens de contrôle du premier courant Il de polarisation du premier amplificateur, et du second courant 12 sont aptes à conformer les deux courants de manière indépendante. L'invention a encore pour objet un dispositif de géopositionnement par satellite comprenant une chaîne de réception et d'amplification du signal, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de contrôle de puissance tel que décrit ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, donnée à titre d'exemple, faite en regard des dessins annexés qui représentent : 20 - la figure 1, le synoptique d'un exemple de dispositif de contrôle de puissance selon l'invention, - la figure 2, le synoptique d'un exemple de structure du dispositif de contrôle de courant selon l'invention, - la figure 3a, un exemple de courbes représentant les courants de polarisation des deux amplificateurs, en fonction d'un courant de commande, - la figure 3b, un exemple de courbe représentant le gain du dispositif de contrôle de puissance de l'invention, en fonction du courant de commande, et 10 15 25 30 - la figure 3c, un exemple de courbe représentant la dynamique du signal d'entrée du dispositif de contrôle de puissance de l'invention, en fonction du courant de commande. La figure 1 présente, en synoptique, un exemple de dispositif de contrôle de puissance 100 selon l'invention. Le dispositif 100 comprend un premier amplificateur 101, un second amplificateur 102, un atténuateur 103, un additionneur 104 et un dispositif 105 de contrôle de courant de polarisation des amplificateurs 101 et 102. Pour la suite, les courants de polarisation des amplificateurs 101 et 102 sont respectivement désignés par Il et 12. Un signal d'entrée est envoyé sur une première chaîne d'amplification comprenant exclusivement le premier amplificateur 101, et parallèlement sur une seconde chaîne d'amplification, comprenant l'atténuateur 103, qui est monté en série avec l'amplificateur 102. Les signaux de sortie de ces deux chaînes d'amplification sont sommés par l'additionneur 104, d'où est issu le signal de sortie du dispositif de contrôle de puissance. Les amplificateurs 101 et 102 sont des amplificateurs à transconductance, dont le gain peut être commandé par leur courant de polarisation. Les deux amplificateurs 101 et 102 peuvent par exemple présenter des caractéristiques structurelles identiques. Le dispositif 105 de contrôle de courant est alimenté par une source de courant non représentée sur la figure, mais décrite ci-après en référence à la figure 2. Dans le cas où le dispositif de contrôle de puissance selon l'invention est utilisé dans un récepteur de géo-positionnement par satellite, le signal appliqué en entrée du dispositif de puissance 100 peut par exemple provenir d'une antenne intégrée ou bien d'une antenne externe de type active, c'est-à-dire procurant un signal amplifié. Dans les deux cas, le signal utile présente une faible dynamique par rapport au bruit, néanmoins l'amplitude du signal d'entrée peut varier dans une large plage de valeurs, jusqu'à une valeur de l'ordre de quelques centaines de millivolts crête à crête. L'invention propose qu'une chaîne unique de contrôle de puissance, facilement intégrable au sein d'un circuit imprimé, puisse traiter aussi bien des signaux de forte amplitude que des signaux de faible amplitude, de manière optimale, c'est-à-dire permette de présenter à un circuit situé en fin de chaîne d'émission ou de réception, un signal garant des performances attendues du système. En d'autres termes, le dispositif de contrôle de puissance doit être capable de fournir une dynamique de sortie idéalement constante, sur une plage de gain la plus large possible, typiquement de l'ordre de 30 dB. A cet effet, le dispositif 105 de contrôle du courant, décrit en détails ci-après en référence à la figure 2, permet d'ajuster les gains respectifs des deux amplificateurs 101 et 102 de manière indépendante, le gain total du dispositif de contrôle de puissance étant la somme des gains des deux amplificateurs 101 et 102 et de l'atténuateur 103. La loi imposée au courant de polarisation de chacun des deux amplificateurs 101 et 102, ainsi que les caractéristiques de l'atténuateur 103, dont le facteur d'atténuation est fixe, sont calculées de manière à garantir une dynamique de sortie sensiblement constante sur la plage de gain choisie. Ainsi, au gain maximum, c'est-à-dire pour des signaux de faible amplitude appliqués en entrée, seul le premier amplificateur est polarisé par un courant I, maximum, le courant 12 étant nul. Cela permet de fournir un facteur de bruit optimal. Quand l'amplitude du signal d'entrée augmente, le courant I, de polarisation du premier amplificateur 101 est diminué suivant une première loi déterminée et décrite plus précisément en référence à la figure 3, alors que le courant 12 de polarisation du second amplificateur augmente selon une deuxième loi déterminée, ce qui permet une augmentation de la dynamique d'entrée, grâce à la présence de l'atténuateur 103. Au gain minimum, seul le second amplificateur est polarisé, le courant 12 est à sa valeur maximale, alors que le courant I, est nul. La valeur du facteur d'atténuation de l'atténuateur 103 permet d'augmenter la dynamique d'entrée du dispositif de contrôle de puissance, et de diminuer le gain maximal de cette valeur. La figure 2 présente le synoptique d'un exemple de structure du dispositif de contrôle de courant 105 selon l'invention. Le dispositif de contrôle de courant 105 comprend un premier bloc 201 de génération du courant h de polarisation du premier amplificateur 101, et un second bloc 202 de génération du courant 12 de polarisation du second amplificateur 102. Un troisième bloc de génération de courant 203 produit un premier courant de référence Iréf. Un quatrième bloc de génération de courant 204 produit un second courant de référence a Iféf, a étant un coefficient fixant la dynamique utile de gain du dispositif de contrôle de puissance ; la valeur de a est déterminée par le coefficient d'atténuation de l'atténuateur 103. Une source unique de courant peut par exemple être utilisée pour générer les deux courants de référence Iréf et a 'réf. Le premier bloc 201 de génération du courant I, et le second bloc 202 de génération du courant 12 sont commandés par le courant de commande Ic, ainsi que par les courants de commande Iréf et a Iréf.. Chacun des courants I, et 12 répond à une loi dépendant du courant de commande Ic, ainsi que des courants de référence Iféf et a Iréf. II est connu que la transconductance varie proportionnellement à l'inverse de la température absolue. Afin de s'affranchir des effets de la variation de la température absolue, le courant de commande le suit une loi proportionnelle à la température absolue, connue de l'homme du métier sous le nom de PTAT, acronyme de la dénomination anglo-saxonne Proportional To Absolute Temperature. De la même manière, les courants de référence Iréf et a Iréf sont proportionnels à la température absolue. La figure 3a présente un exemple de courbes 301 et 302 représentant respectivement les courants I, et 12 de polarisation des deux amplificateurs 101 et 102, en fonction du courant de commande le représenté selon une échelle logarithmique. La figure 3b représente un exemple de courbe représentant le gain du dispositif de contrôle de puissance de l'invention, en fonction du courant de commande le représenté selon une échelle logarithmique. La figure 3c présente un exemple de courbe représentant la dynamique du signal d'entrée du dispositif de contrôle de puissance selon l'invention, exprimée en mVcc, en fonction du courant de commande Ic. Une analyse en parallèle des figures 3a, 3b et 3c permet une meilleure compréhension de l'invention. Dans l'exemple illustré par la figure 3a, le courant de référence Iréf est fixé à 80 pA et le courant a Iféf à 15 pA. Il est rappelé que ces deux courants de référence fixent la dynamique utile de gain. Ainsi, pour le gain maximum de la dynamique de gain souhaitée du dispositif 100, c'est-à-dire un gain de l'ordre de 18 dB dans l'exemple illustré par la figure 3b et une dynamique du signal d'entrée de l'ordre de 70 mVcc dans l'exemple illustré par la figure 3c, le courant Il est à une valeur maximum de 316 pA, alors que le courant 12 est nul. Lorsque le gain doit être diminué dans la dynamique de gain souhaitée, avec une pente de 40 dB par décade dans l'exemple illustré par la figure 3b, et que la dynamique du signal d'entrée doit être augmentée, le courant de commande le diminue ; le courant Il commence à diminuer progressivement, et le courant 12 à augmenter. La valeur minimale du gain dans la dynamique de gain souhaitée, de l'ordre de -12 dB dans l'exemple de la figure 3b, pour une dynamique d'entrée de l'ordre de 600 mVcc dans l'exemple de la figure 3c, correspond à une valeur du courant de commande le égale au courant de référence a'réf• II est souhaitable de permettre au gain de pouvoir légèrement augmenter au-delà de la valeur maximale de la dynamique de gain souhaitée, et en deçà de la valeur minimale. Ainsi, comme illustré par la figure 3b, le dispositif de contrôle de puissance 100 selon l'invention procure une marge basse de gain, dans laquelle le gain peut diminuer avec le courant plutôt que rester figé à une valeur minimale, ainsi qu'une marge haute de gain, dans laquelle le gain peut augmenter avec le courant. Dans l'exemple de la figure 3b, le gain peut varier en fonction du courant de commande le de 20 dB par décade. Comme illustré en figure 3c, la dynamique d'entrée reste stable dans les marges de gain basse et haute, le courant I, étant nul dans la marge basse, et le courant 12 dans la marge haute. II est à noter que ce sont les lois imposées aux courants Il et 12 qui confèrent au dispositif de l'invention ses caractéristiques de performance. REVENDICATIONS1. Dispositif de contrôle de puissance d'un signal (100), comprenant une première chaîne d'amplification comprenant un premier amplificateur (101), une seconde chaîne d'amplification comprenant un atténuateur (103) à gain fixe en série avec un second amplificateur (102), et un additionneur (104), caractérisé en ce que la première chaîne d'amplification et la seconde chaîne d'amplification comprennent des moyens d'ajustement de gain (105), un signal d'entrée étant appliqué à la première chaîne d'amplification, et en parallèle à la seconde chaîne d'amplification, les sorties des première et seconde chaînes d'amplification étant connectées aux entrées de l'additionneur (104), les moyens d'ajustement de gain (105) étant aptes à répartir les gains respectifs de la première chaîne d'amplification et de la seconde chaîne d'amplification en fonction de la puissance du signal d'entrée selon une loi de répartition (301, 302), selon laquelle le gain de la seconde chaîne d'amplification est minimal pour les puissances d'entrée les plus faibles, et le gain de la première chaîne d'amplification est minimal pour les puissances d'entrée les plus fortes, les gains de la première chaîne d'amplification et de la seconde chaîne d'amplification étant ajustés de manière indépendante et progressive pour les puissances d'entrée intermédiaires. 2. Dispositif de contrôle de puissance d'un signal (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier amplificateur (101) et le second amplificateur (102) sont des amplificateurs à transconductance, les moyens d'ajustement du gain (105) comprenant des moyens de contrôle d'un premier courant (201) Il de polarisation du premier amplificateur (101), et d'un second courant (202) 12 de polarisation du second amplificateur (102). 3. Dispositif de contrôle de puissance d'un signal (100) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de contrôle du premier courant (201) Il de polarisation du premier amplificateur (101),et du second courant (202) 12 sont aptes à conformer les deux courants de manière indépendante (301, 302). 4. Dispositif de géo-positionnement par satellite comprenant une chaîne de réception et d'amplification du signal, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de contrôle de puissance (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes.