Brevet FR3091080A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Amplificateur de puissance a consommation énergétique améliorée [0001] La présente invention concerne un amplificateur de puissance à consommation énergétique améliorée. Elle s'applique notamment sur tous types de poste de télécommunication. [0002] Un problème à résoudre est l'optimisation des performances électriques d'un ampli- ficateur de puissance, notamment en ce qui concerne les performances de consommation électrique et de dissipation de chaleur. [0003] De manière générale, il est très difficile d'obtenir une consommation raisonnable lorsqu'on utilise des modulations avec des variations d'amplitudes fortes. [0004] En particulier, sur des modulations numériques à fort « Peak to average powerratio » (PAPR), pour rester linéaire on doit utiliser l'amplificateur avec un recul en puissance, ce qui entraîne unc perte de rendement. [0005] Pour atteindre des puissances importantes, supérieures à 100 W notamment, on doit combiner plusieurs transistors voire plusieurs amplificateurs. [0006] Cela crée un problème. En effet, puisqu'on est alors conduit à utiliser plusieurs am- plificateurs/transistors en présence de faibles signaux en entrée, l'amplificateur consomme énormément d'énergie avec une marge de puissance inutile. [0007] Il y a donc des besoins d'amélioration énergétique, en particulier : Améliorer la consommation électrique des amplificateurs lorsque ceux-ci sont utilisés avec des signaux de télécommunication à variation d'amplitude ; Améliorer la consommation électrique des amplificateurs en situation de proximité entre deux postes. [0008] Un but de l'invention est notamment d'optimiser la consommation énergétique de ces amplificateurs. A cet effet, l'invention a pour objet un amplificateur de puissance comportant au moins : un premier amplificateur push-pull ; un deuxième amplificateur push-pull ; un premier coupleur hybride 90°, couplé aux entrées desdits amplificateurs et un deuxième coupleur hybride 90° couplé aux sorties desdits amplificateurs, lesdits amplificateurs étant balancés par lesdits coupleurs ; des moyens de commande dudit deuxième amplificateur push-pull, de telle façon que : - ledit deuxième amplificateur est éteint lorsque la puissance d'un signal d'entrée dudit amplificateur de puissance est inférieure à un 2 premier seuil ; - la puissance dudit deuxième amplificateur étant commandée linéairement en fonction de la puissance dudit signal d'entrée, lorsque cette dernière est comprise entre ledit premier seuil et un deuxième seuil ; - lesdits amplificateurs push-pull étant commandés à même puissance lorsque la puissance dudit signal d'entrée dépassant ledit deuxième seuil. [0009] Dans un mode de réalisation particulier, lesdits amplificateurs push-pull étant réalisés à base de transistors MOS, lesdits moyens de commande comportent : un circuit d'asservissement de la tension grille des transistors dudit deuxième amplificateur ; un circuit de détection d'enveloppe dudit signal d'entrée ; un circuit de contrôle, contrôlant ledit circuit d'asservissement en fonction du niveau détecté. [0010] Ledit amplificateur comporte par exemple en entrée un coupleur fournissant une partie dudit signal d'entrée au circuit de détection d'enveloppe. [0011] Dans un mode de réalisation possible : les signaux entrent dans ledit amplificateur de puissance par l'entrée 0° dudit premier coupleur, la sortie 90° dudit premier coupleur étant reliée à l'entrée dudit premier amplificateur push-pull et la sortie 0° dudit premier coupleur étant reliée à l'entrée dudit deuxième amplificateur push-pull ; la sortie dudit premier amplificateur est reliée à l'entrée 0° dudit deuxième coupleur hybride dont la sortie 0° constitue une la sortie dudit amplificateur de puissance ; la sortie dudit deuxième amplificateur étant reliée à l'entrée 90° dudit deuxième coupleur hybride. [0012] Ledit circuit de contrôle est par exemple un circuit numérique comportant une table de programmation dudit circuit d'asservissement en fonction de la puissance dudit signal d'entrée, lesdits seuils étant mémorisés dans ledit circuit de contrôle. [0013] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la des- cription qui suit, faite en regard de dessins annexés qui représentent : [fig.1] La figure 1, une présentation des principaux composants possibles d'un amplificateur selon l'invention ; [fig.2] La figure 2, un schéma de principe d'un amplificateur selon l'invention ; [fig.3] La figure 3, un exemple de réalisation d'un circuit d'asservissement utilisé dans un amplificateur selon l'invention ; [fig.4a] 3 [fig.4b] Les figures 4a et 4b, des exemples comparatifs de consommation et d'efficacité énergétiques montrant l'intérêt de l'invention. [0014] La figure 1 présente les principaux composants d'un amplificateur selon l'invention. Ce dernier comporte au moins les éléments suivants : Un amplificateur push-pull balancé 1 qui sert à amplifier un signal sur une très large gamme de fréquence, amplificateur qui sera décrit par la suite ; Un circuit de contrôle 2 qui configure de façon dynamique la tension de grilles des transistors des amplificateurs push-pull constituant l'amplificateur balancé ; Un circuit 3 de détection d'enveloppe des signaux d'entrée RF ; Un circuit d'asservissement rapide 4 qui permet le réglage rapide de la tension de grille plus vite que la vitesse de l'enveloppe détectée. [0015] Le niveau de puissance de l'enveloppe du signal est prélevé en entrée au moyen d'un coupleur 5, et analysé dans le circuit détecteur d'enveloppe 3. [0016] Avant de décrire plus en détail le fonctionnement d'un amplificateur selon l'invention, on présente l'amplificateur push-pull balancé 1 en regard de la figure 2. [0017] La figure 2 présente donc le schéma de principe de l'amplificateur 1. Il comporte : deux amplificateurs push-pull large bande 21, 22 ; un coupleur hybride 90° (coupleur 3 dB) couplé aux entrées desdits amplificateurs, référencé 23 sur la figure ; un coupleur hybride 90° en sortie (coupleur 3 dB), référencé 24 sur la figure. [0018] ces deux coupleurs 23, 24 étant couplés auxdits amplificateurs push-pull 21, 22 de façon à balancer les deux amplificateurs push-pull. [0019] Les deux amplificateurs push-pull 21, 22 peuvent fonctionner de façon séparée et rester adaptés 50 ohms pour un fonctionnement dans une chaîne de transmetteur. [0020] Le premier amplificateur 21 push-pull est classiquement composé de deux transistors Ti, T2 montés en push-pull. Ces transistors ont pour fonction d'amplifier les signaux, on parlera par la suite du transistor Tl, ou T2, sachant que ces circuits d'amplifications peuvent comporter un ou plusieurs transistors. [0021] Le premier amplificateur comporte en entrée un premier balun BI dont l'entrée 0° constitue l'entrée de l'amplificateur 21, l'autre entrée du balun étant reliée au potentiel de masse. La sortie 0° du balun est reliée à l'entrée du transistor Tl et la sortie 180° du balun est reliée à l'entrée du transistor T2. L'amplificateur 21 comporte en sortie un deuxième balun B2 dont l'entrée 0° est reliée à la sortie du transistor Ti et l'entrée 180° est reliée à la sortie du transistor T2. La sortie 0° du balun, constituant la sortie de l'amplificateur 21. La sortie 180° du balun est reliée au potentiel de masse. [0022] Dans un mode de réalisation possible, les transistors Ti, T2 étant du type MOS, leur entrée est constituée du drain et leur sortie est constituée de la source. Ils sont commandés par leur tension grille-source VGS1, tension commune appliquée aux deux transistors. [0023] De même, le deuxième amplificateur push-pull 22 est classiquement composé de deux transistors T3, T4 montés en push-pull. Il comporte en entrée un premier halun B3 dont l'entrée 0° constitue l'entrée de l'amplificateur 22, l'autre entrée du halun étant reliée au potentiel de masse. La sortie 0° du halun est reliée à l'entrée du transistor T3 et la sortie 180° du halun est reliée à l'entrée du transistor T4. L'amplificateur 22 comporte en sortie un deuxième halun B4 dont l'entrée 0° est reliée à la sortie du transistor T3 et l'entrée 180° est reliée à la sortie du transistor T4. La sortie 0° du halun constitue la sortie du deuxième amplificateur 22. La sortie 180° du halun est reliée au potentiel de masse. [0024] Les transistors T3, T4 étant du type MOS, leur entrée est constituée du drain et leur sortie est constituée de la source. Ils sont alors commandés par leur tension grille-source VGS2, tension commune appliquée aux deux transistors. [0025] Les signaux RFin entrent dans l'amplificateur de puissance par l'entrée 0° dudit premier coupleur 23, la sortie 90° de cc dernier étant reliée à l'entrée du premier amplificateur push-pull 21. La sortie 0° du premier coupleur hybride est reliée à l'entrée du deuxième amplificateur push-pull 24. [0026] La sortie du premier amplificateur 21 est reliée à l'entrée 0° du deuxième coupleur hybride 24 dont la sortie 0° constitue la sortie Outl de l'amplificateur de puissance. [0027] La sortie du deuxième amplificateur push-pull 22 est reliée à l'entrée 90° du deuxième coupleur hybride 24. [0028] Selon l'invention on asservit la puissance du deuxième transistor push-pull sur l'enveloppe de niveau puissance détectée à l'entrée de l'amplificateur. Plus particulièrement, on asservit la tension VGS2 des transistors T3, T4 pour qu'ils conduisent très peu à bas niveau détecté et complètement lorsque l'on est à fort niveau détecté. [0029] Le niveau de puissance de l'enveloppe du signal est donc prélevé en entrée de l'amplificateur de puissance, au moyen d'un coupleur 5, et analysé dans le circuit détecteur d'enveloppe 3. Ce niveau est par exemple comparé à trois gammes de valeurs de niveau : soit de façon analogique avec un comparateur à seuil analogique ; soit de façon numérique avec une valeur numérique, à l'aide d'un FPGA ou autre circuit numérique. [0030] Ces trois gammes de valeurs sont définies ci-après. Suivant le résultat de la com- paraison, il y a trois zones distinctes de fonctionnement : lorsque le niveau de l'enveloppe du signal est très faible, inférieur à un premier seuil SI, le deuxième amplificateur push-pull 22 est éteint ; lorsque le niveau de puissance de l'enveloppe est compris entre ce premier seuil S1 et un deuxième seuil supérieur S2, la valeur de la tension de grille VGS2 du deuxième amplificateur push-pull 22 varie de façon linéaire en fonction du niveau de puissance ; lorsque le niveau de puissance de l'enveloppe est supérieur au deuxième seuil S2, la tension de grille VGS2 du deuxième amplificateur push-pull 22 est fixée à la même valeur que la valeur de grille VGS1 du premier amplificateur 21. [0031] Les valeurs de seuil S1 et S2 sont fonction de la bande passante de fonctionnement de l'amplificateur de puissance et sont définies au moment de la conception de l'amplificateur. [0032] Ces valeurs de seuil Sl, S2 sont notamment choisies de telle façon que lorsqu'on utilise l'amplificateur de puissance en dehors de la gamme de fonctionnement fréquentielle des coupleurs hybrides 23, 24 ou que la puissance nécessaire en sortie de l'amplificateur est plus faible, on éteint le deuxième amplificateur push-pull 22. Puis, entre les deux seuils 51, S2, le deuxième amplificateur push-pull 22 est polarisé de façon différente du premier amplificateur 21, par une variation linéaire de la tension VGS2 en fonction du niveau de puissance détectée en entrée. Cela a notamment pour effet de diminuer la consommation de l'amplificateur de puissance lorsque celui-ci reçoit en entrée des signaux faibles. [0033] Le circuit de contrôle 2 peut être réalisé de différentes manières, selon les techniques numériques connues notamment (FPGA par exemple). Ce peut être aussi un processeur utilisé par ailleurs pour d'autres fonctions notamment à l'intérieur d'un poste de communication. Il transmet l'information de commande au circuit d'asservissement 5 en fonction de son analyse du niveau de puissance de l'enveloppe, en particulier il peut fournir une information correspondant à l'une des trois gammes décrites précédemment. Selon cette information, le circuit d'asservissement commande la tension VGS2 à 0 (extinction du deuxième transistor push-pull 22), commande linéairement la tension VGS2, ou cale VGS2 à la valeur VOS1. Le circuit d'asservissement les interfaces nécessaires pour commander la tension de grille VGS2 [0034] Les seuils SI et S2 sont par exemple mémorisés dans le circuit de contrôle. Ce dernier comporte par exemple une table de programmation de la commande du circuit d'asservissement de la tension VGS2, pour activer les trois zones de fonctionnement précédemment décrites en fonction du niveau de puissance d'entrée. [0035] Dans un mode de réalisation possible, le circuit de contrôle et le circuit d'asservissement peuvent être réalisés dans un même circuit (un même composant). De préférence, le circuit d'asservissement 5 est réalisé avec des circuits analogiques, de façon à permettre le réglage rapide de la tension de grille VGS2, 5 à 10 fois plus vite que la vitesse de variation de l'enveloppe détectée par exemple. 6 [0036] La figure 3 présente un exemple de réalisation d'un circuit d'asservissement. Celui-ci comporte un amplificateur opérationnel 31 et trois résistances R1, R2, R3, dans un montage inverseur. La résistance R1, est reliée à une extrémité à une tension négative (- 5 volts par exemple) et à l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel à son autre extrémité, l'entrée positive étant reliée au potentiel de masse. Les deux résistances R2, R3, connectées en série entre la sortie de l'amplificateur 31 et une entrée de signal, forment un pont diviseur connecté également à l'entrée négative de l'amplificateur 31. Dans ces conditions, la sortie de l'amplificateur suit une la tension d'entrée entre deux limites. [0037] Le circuit de détection d'enveloppe 3 peut également être réalisé dans un même circuit que le circuit de contrôle. Classiquement, le circuit de détection d'enveloppe (image de la puissance du signal) transforme un niveau de puissance hyperfréquence en une tension, laquelle est comparée avec les seuils S1 et S2 précités. [0038] Les figures présentent 4a et 4h présentent sur un exemple, les bénéfices apportés par l'invention sur la consommation et le rendement. La figure 4a illustre par trois courbes 41, 42, 43 la consommation en fonction de la puissance du signal d'entrée d'un amplificateur de puissance selon l'invention. [0039] Une première courbe 41 illustre le cas où les deux amplificateurs push-pull 21, 22 sont alimentés de la même façon, sur toute la gamme de puissance d'entrée. [0040] Une deuxième courbe 42 illustre le cas où seul le premier amplificateur push-pull est alimenté (actif), le deuxième amplificateur 22 étant bloqué (éteint), sur toute la gamme de puissance d'entrée. [0041] La troisième courbe 43 illustre le cas où l'amplificateur est balancé selon l'invention, en fonction des seuils de puissance d'entrée SI et S2. [0042] Jusqu'à une puissance d'entrée d'environ 20 Watts (seuil Si), la troisième courbe 43 suit la première courbe 42 puis rattrape la première courbe 41 à partir d'environ 27 Watts (seuil S2). Entre ces seuils Si et S2 la commande linéaire (lu deuxième amplificateur 22 permet de rejoindre « doucement » le fonctionnement complet représenté par la première courbe 41. [0043] La figure 4a montre un gain en puissance égal à 2 dans la zone inférieure au premier seuil SI. [0044] La figure 4b présente le bénéfice d'un point de vue du rendement en puissance ajoutée ou PAE (Power Added Efficiency). Trois courbes 41', 42', 43' représentent la PAE en fonction de la puissance d'entrée pour les trois cas cités précédemment, avec les mêmes seuils. [0045] Ainsi, une première courbe 41' illustre le cas où les deux amplificateurs push-pull 21, 22 sont alimentés de la même façon, sur toute la gamme de puissance d'entrée. [0046] Une deuxième courbe 42' illustre le cas où seul le premier amplificateur push-pull est 7 alimenté (actif), le deuxième amplificateur 22 étant bloqué (éteint), sur toute la gamme de puissance d'entrée. [0047] La troisième courbe 43' illustre le cas où l'amplificateur est balancé selon l'invention, en fonction des seuils de puissance d'entrée Si et S2. [0048] On observe de même, une forte amélioration du PAE aux faibles puissances, en dessous du seuil S1 notamment. 8