FR2564658A1

FR2564658A1 - Dispositif de linearisation du gain d'un amplificateur de puissance a transistor bipolaire polarise en classe c

Info

Publication number: FR2564658A1
Application number: FR8407880A
Authority: FR
Inventors: Yves Durand
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 1984-05-21
Filing date: 1984-05-21
Publication date: 1985-11-22
Anticipated expiration: 2004-05-21
Also published as: FR2564658B1

Abstract

LE DISPOSITIF DE LINEARISATION 36 COMPREND UN MOYEN QUI COMMANDE LA TENSION DE POLARISATION CONTINUE V DE LA JONCTION BASE-EMETTEUR DU TRANSISTOR BIPOLAIRE DE L'AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE EN FONCTION DU SIGNAL D'ENTREE DUDIT AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE. CETTE COMMANDE EST FAITE DE MANIERE A MAINTENIR CONSTANT L'ANGLE DE CONDUCTION DU TRANSISTOR BIPOLAIRE DE L'AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE. DANS LE CAS D'UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE HYPERFREQUENCE, LE DISPOSITIF DE LINEARISATION COMPREND UN COUPLEUR DIRECTIF 38 POUR PRELEVER UNE FRACTION DE LA PUISSANCE DU SIGNAL D'ENTREE, UN DETECTEUR QUADRATIQUE 40 ET UN MOYEN D'AMPLIFICATION 42 DELIVRANT UNE TENSION PROPORTIONNELLE A LA RACINE CARREE DE LA PUISSANCE RECUE A L'ENTREE DU DETECTEUR. APPLICATION NOTAMMENT A LA LINEARISATION D'UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE HYPERFREQUENCE.

Description

DISPOSITIF DE LINEARISATION DU GAIN D'UN AMPLIFICATEUR
DE PUISSANCE A TRANSISTOR BIPOLAIRE POLARISE EN
CLASSE C
La présente invention a pour objet un dispo
sitif de linéarisation d'un amplificateur de puissance à transistor bipolaire polarisé en classe C. Elle
s'applique en particulier aux amplificateurs de puis
sance hyperfréquence, c 'est-à-dire fonctionnant à des fréquences de l'ordre de 1 GHz ou plus.

On rappelle qu'un transistor polarisé en classe C est un transistor dans lequel la jonction base-émetteur est polarisée en inverse au repos, c'est-à-dire en L'absence de signal appliqué sur
l'émetteur du transistor. De même, on dit qu'un transistor est polarisé en classe B si la tension de polairisation est égale à la tension de déblocage de la jonction base-émetteur (tension de 0,7 volts environ pour un transistor sur silicium). Enfin, si la tension de polarisation est telle que la jonction base-émetteur est passante, on dit que le transistor est polarisé en classe A.

Le transistor d'un amplificateur de puissance hyperfréquence est généralement polarisé en classe C car le rendement, c'est-à-dire le rapport de
la puissance du signal de sortie à La puissance d'alimentation est plus élevé que si le transistor est po
larisé en classe A ou B. D'autre part, un transistor polarisé en classe C est généralement utilisé à satu
ration, c'est-à-dire qu'il fournit la puissance maxi mu m.

On sait que Le gain d'un tel amplificateur de puissance n'est pas constant mais varie fortement
avec la puissance du signal d'entrée, la caractéristique gain-puissance d'entrée ayant une forme en clo
chue". Il n'est donc pas possible d'utiliser un tel amplificateur, si l'on veut garder un gain constant tout en faisant varier la puissance d'entrée.

On connait de nombreux dispositifs de linéarisation permettant de pallier ce défaut. Les dispositifs de linéarisation les plus usités sont, soit à boucle. ouverte de type correction aval (en anglais "feed-forward"), soit à boucle d'enveloppe à gain constant, soit à boucle fermée de type contre-réaction (en anglais "feed-back"). On va décrire successivement en référence aux figures la, lb et lc des dispositifs de linéarisation selon chacune de ces techniques connues.

On a représenté sur la figure la un amplifier cateur de puissance et un dispositif de Linéarisation de cet amplificateur de type correction aval à boucle ouverte. Ce dispositif est principaLement utilisé pour les amplificateurs présentant de faibles linéarités.

L'amplificateur de puissance porte La référence 2. Son entrée et sa sortie sont notées respectivement E et S.

Le dispositif de linéarisation comprend deux coupleurs 4 et 6 pour prélever respectivement une fraction de la puissance (dans le cas d'un amplificateur de puissance hyperfréquence, de tension si non) du signal d'entrée et du signal de sortie de L'amplificateur de puissance 2, un comparateur 8 recevant lesdits signaux prélevés et un amplificateur secondaire 9 réinjectant, par I'intermédiaire d'un coupleur 10, un signal tel que le gain de l'ensemble amplificateur de puissance-dispositif de linéarisation soit constant. Un déphaseur 12 est disposé entre les coupLeurs 6 et 10 ; il compense le retard introduit par
Le comparateur 8 et l'amplificateur 9. Un déphaseur 7 est disposé entre le coupleur 4 et le comparateur 8 ; il compense le retard introduit par L'amplificateur 2.

Le dispositif de linéarisation en boucle ouverte présente un premier inconvénient qui est sa faible stabilité. D'autre part, et c'est le point important, le gain d'un amplificateur polarisé en classe
C varie brutalement lorsque la puissance d'entrée diminue. Pour compenser cette chute, l'amplificateur secondaire doit être un amplificateur de puissance, d'autant que la réinjection s'effectue par un coupleur 10 présentant une atténuation d'injection suffisamment importante pour ne pas atténuer La voie directe.

Un tel dispositif est inapplicable pour Linéariser un amplificateur polarisé en classe C car la puissance à fournir par l'amplificateur secondaire 9 est trop importante.

L'amplificateur de puissance linéarisé représente sur La figure lb est de type à boucle denve- loppe à gain constant. Comme dans la figure la, des coup Leurs 4 et 6 prélèvent une fraction des signaux d'entrée et de sortie. Ces signaux sont détectés par
Les detecteurs Il, 13 puis reçus dans un comparateur 8 qui délivre un signal d'erreur . Celui-ci est amplifié dans un amplificateur 16, puis reçu dans un atténuateur 17. Cet attenuateur adapte le niveau du signal d'entrée de L'amplificateur de puissance 2 en fonction du signal de sortie du comparateur de manière à ce que l'amplificateur de puissance présente un gain constant.

L'atténuateur agit comme écrêteur sur la caractéristique gain-puissance d'entrée de l'amplificateur de puissance. On a vu que cette caractéristique est une courbe dite "en cloche". La plage linéaire de cette caractéristique est donc d'autant plus importante que l'écrêtage est important, c'est-à-dire d'autant plus importante que le gain de l'amplificateur de puissance est faible. La linéarisation de l'amplifica- teur de puissance se fait donc au préjudice de son gain.

On a représenté sur la figure lc un amplifi
cateur de puissance linéarisé de manière connue par
une boucle-fermee. Un échantillo-n du signal de sortie
est prélevé par un coupleur 6 puis est réinjecté par
un coupleur hybride 18 à L'entrée de l'amplificateur.

La phase et le niveau du signai prélevé sont ajustés par un déphaseur 19 et un atténuateur 21.

Le dispositif de linéarisation a le désavan
tage, comme toutes les structures en boucle fermée, de
limiter la bande passante du signal amplifié à cause
de la constant de temps de cette boucle fermée.

D'autre part, la dynamique est également reduite et ne -peut guère être supérieure à.5 dB.
L'invention a pour objectif la linéarisation d'un amplificateur de puissance sans dégrader ses
caractéristiques, notamment de gain et de bande pas
sante. Pour cela å la différence des dispositifs de
linéarisation connus qui agissent de manière externe à
L'amplificateur de puissance par préLèvement et injec
tion de signal en entrée ou en sortie de l'amplifica-
teur de puissance, on se propose de commander directe
ment la tension de polarisation continue de l'émetteur
du tran-si-stor de l'amplificateur de puissance en fonc
tion du signal d'entrée.

-Plus preci-sement, le dispositif de linéari
sation selon l'invention comprend un moyen de commande
qui reçoit une fraction du signal d'entrée de l'ampli
ficateur de puissance et qui délivre- en fonction de ce
signal, un signa de commande de la tension de polari
sation continue base-émetteur du transistor de l'am
plificateur de puissance tel que l'angle de conduction
du transistor reste constant.

Aux fréquences basses ou moyennes, c'est-à-
dire inférieures à 300 MHz-environ, il est possible de
pr-élever un signal de tension du signal d'entrée -de
l'amplificateur. En hyperfréquence, c'est-à-dire pour des fréquences supérieures à 1 GHz environ, on ne peut prélever qu'un échantillon de puissance du signal d'entrée de l'amplificateur.

Selon un mode préféré de réalisation, le dispositif comprend un moyen pour prélever une fraction de la puissance du signal d'entrée, la sortie dudit moyen étant reliée à l'entrée du moyen de commande.

Ce dispositif est utilisé principalement pour la linéarisation des amplificateurs de puissance hyperfréquence mais peut aussi être utilisé pour la linéarisation des amplificateurs de puissance basse ou moyenne fréquence.

Selon un premier mode avantageux de réalisation, le moyen de commande du dispositif comprend un détecteur quadratique et un moyen d-'amplification dont le signal de sortie est proportionnel à la racine carrée du signal d'entrée. Ce moyen d'amplification peut être approche par un moyen d'amplification logarithmique.

Selon une caractéristique secondaire, le moyen d'amplification comprend un amplificateur linéaire d'adaptation, un amplificateur logarithmique et un adaptateur d'impédance.

Selon un second mode avantageux de réalisation, le moyen de commande du dispositif comprend un détecteur à diode Schottky polarisée, en zone linéaire, un amplificateur linéaire d'adaptation et un adaptateur d'impédance.

Selon un mode préféré de réalisation, le dispositif comprend un moyen pour prélever une fraction de la tension du signal d'entrée, la sortie dudit moyen étant reliée à l'entrée du moyen de commande.

Ce dispositif permet la linéarisation des amplificateurs de puissance basse ou moyenne frequen- ce.

Selon un mode avantageux de réalisation, le moyen de commande du dispositif comprend un détecteur linéaire, un amplificateur linéaire d'adaptation et un adaptateur d'impédance.

Selon une caractéristique importante, le dispositif de linéarisation comprend en outre, en entrée de l'amplificateur de puissance, un déphaseur pour remettre en phase le signal d'entrée et la tension de polarisation continue délivrée par le moyen de commande.

Ce moyen de déphasage peut tre constitué par une ligne à retard.

Selon un autre mode préféré de réalisation le moyen de commande du dispositif reçoit en outre un signal représentatif du signal de sortie de l'amplífi- cateur de puissance.

Selon - une caractéristique secondaire, le dispositif comprend deux moyens pour prélever une fraction du signal d'entrée et une fraction du signal de sortie de l'amplificateur de puissance et le moyen de commande comprend deux détecteurs identiques, linéaires ou quadratiques, et un moyen d'élaboration.

Les caractéristiques et- avantages de l'invention apparaitront mieux après la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- les figures 7a, lb et c1 déjà décrites, illustrent des dispositifs, de linéarisation selon l'art antérieur,
- la figure 2 est un diagramme illustrant l'angle de conduction d'un transistor, angle qui selon le procédé de l'invention est maintenu constant pour tout signal d'entrée de l'amplificateur de puissance,
- la figure 3 est un dessin schématique d'un amplificateur de puissance dont la tension de polari sation base-emetteur du transistor est ajustable de manière externe,
- la figure 4 représente un premier mode de réalisation logarithmique du dispositif-de linéarisation selon l'invention, comprenant un amplificateur logarithmique,
- la figure 5 r-eprésente un deuxième mode de réalisation du dispositif de linéarisation selon l'invention, comprenant un détecteur à diode Schottky polarisée et utilisée dans la zone linéaire de sa caractéristique,
- la figure 6 représente un autre m-ode de réalisation du dispositif de linéarisation du type boucle d'enveloppe à gain constant, et
- I-a- figure 7 est un graphique des carac-té ristiq-ues gain-puissance d'entrée d'un amplificateur de puissance obtenue avec le dispositif de linéarisation de l'invention correspondant à la figure 4 et sans ce dispositif.

On a représenté sur la figure 2 a caractéristique courant de collecteur Ic du transistor de l'amplificateur de puissance en fonction de la tension de polarisation Vbe de la jonction base-émetteur de ce transistor. La valeur Vbes de cette tension de polarisation pour laquetle Ic est nul est la tension de déblocage du transistor. Un transistor dont la tension de polarisation est égale à Vbes est dit polarisé en classe B. Les transistors polarisés en classe C, qui sont ceux dont la linéarisation est le but de l'invention, ont une tension de polarisation inférieure à Vues, par exemple égale à Vbo sur la figure 2.

On a représenté en correspondance avec la caractéristique I = f(V -)- d'une part, La tension de
c- be - poLarisation insta-ntanée Vbe en fonction- de l'angle u3t d'un signal sinusoidàl appliqué sur l'émetteur d-u transistor et d'autre part, l'allure du courant instantané 1c correspondant dans le collecteur.

Le signal appliqué sur l'émetteur a une am- pl-itude crête égale à Ai. Il est centré sur la tension de polarisation continue Vbo. Le transistor est conducteur Lorsque ce signal a une amplitude supérieure à Vbes On définit L'angle de conduction e comme La demi-largeur de ce signal à l'amplitude VbeS,ce qui donne

Le troisième graphique'indique le courant de collecteur Ic en fonction du signal d'entrée. L'amplitude Ic de ce courant est fonction de Ai et de la caractéristique Ic = f(Vbe).La puissance du signal de sortie de l'amplificateur de puissance est directement liée à ce courant de collecteur 1c
Selon une théorie (simplifiée) de L'amplificateur de puissance en classe C, la puissance de sortie est directement liée à

De pl-us, si on assimile la caractéristique Ic = f(Vbe) à une droite, l'amplitude crête -I co du courant de collecteur est une fonction affine de l'amplitude crête A. de la tension du signal d'entrée. La puissance de sortie de l'amplificateur est donc une fonction de l'angle de conduction e et une fonction affine de l'amplitude crête A.. En maintenant constant
L'angle de conduction du transistor, on maintient donc constant le gain de ce transistor quel que soit le niveau du signal d'entrée.

Cet objectif est atteint par le dispositif de l'invention en agissant sur la tension de polarisa- tion continue du transistor polarisé en classe C.

L'expression cos e = (Vbes - Vbo)/A; montre que, pour e constant, la tension de polarisation continue Vbo varie linéairement avec la tension Ai du signal incident. Cette tension varie comme la racine carrée de la puissance du signal incident. Maintenir e constant, c'est donc faire varier Vbo comme la racine carrée de la puissance du signal incident.

On a représenté sur la figure 3 un mode de réalisation de l'amplificateur de puissance comprenant un transistor polarisé en classe C. Dans cet exemple, on a représenté un transistor npn en base commune. Il va de soi que l'on aurait pu également représenter un transistor pnp et/ou faire un montage en emetteur commun.

Le signal d'entrée à amplifier est reçu au point E ; le signal amplifié est délivré au point S.

La tension continue d'alimentation V est appliquée au
a collecteur du transistor 20. Elle est isolée du point
S par un condensateur 22. Elle est appliquée par l'in- termédiaire d'ute inductance 24 qui isoLe le signal hyperfréquence traversant le transistor de la source de tension Va De manière symétrique, un condensateur 26 isole le point E du signal VE de commande de la tension de polarisation continue Vbo et une inductance 28 isole le signaL d'entrée hyperfréquence du circuit metteur du transistor. Un amplificateur de puissance de classe C comprend en outre en général une résistance 30 de recul de polarisation de faible valeur, par exemple entre Q,5 et 5 ohms. Un condensateur 32 de shunt peut être disposé en parallèle avec cette résistance.

Le principe de l'invention consiste à modifier la tension de polarisation continue Vbo de
l'émetteur du transistor par l'application d'un signal de commande VE. E Pour cela, on peut par exemple relier l'extrémité de la résistance 30, qui est à la masse, à la sortie du dispositif de linéarisation qui délivre la tension de commande. On peut aussi ajouter une seconde résistance 34 reliée d'une part au point commun de l'inductance 28 et de la résistance 30, et d'autre part à la sortie du dispositif de linéarisation. Le deuxième mode de réalisation assure une meilleure protection de l'amplificateur de puissance.

En pratique, Le signal de commande VE est pratiquement égal à la tension de polarisation continue Vbo.

On va maintenant décrire plusieurs modes de réalisation de dispositifs de linearisation seLon l'invention produisant cette tension de polarisation continue en référence aux figures 4, 5 et 6. Sur chacune de ces figures, le dispositif de linéa-risation porte la référence 36, et l'amplificateur de puissance la référence 2.

Le dispositif de linéarisation de la figure 4 comprend un moyen, par exemple un coupleur directif 38, pour prélever une fraction de la puissance incidente, un détecteur quadratique 40 qui délivre un signal de tension proportionnel à la puissance du signal incident et un moyen d'amplification 42 qui délivre un signal proportionnel à la racine carrée du signal reçu, l'ensemble détecteur 40- moyen d'amplification 42 constituant le moyen de commande.

Ce moyen d'amplification 42 délivre un signal VE de commande de la tension de polarisation continue à l'amplificateur de puissance hyperfréquence 2.

Ce moyen d'amplification comprend principalement un amplificateur 44 dont le signal de sortie est proportionnel à la racine carrée du signal reçu. Il peut comprendre également un amplificateur linéaire 46 d'adaptation qui est utile si on désire changer le détecteur quadratique 40. Il comprend enfin un adaptateur d'impédance 48.

Un amplificateur délivrant un signal proportionnel à la racine carrée du signal d'entrée est délicat à réaliser. Il peut être remplacé avantageusement par un amplificateur logarithmique dont la caracteristique est pratiquement identique si on se limite à une plage de variation de La puissance d'entrée de l'amplificateur d'environ 10 décibels.

Le détecteur 40 et le moyen d'amplification 42 introduisent un retard du signal de commande VE par rapport au signal à amplifier. Ce retard est annulé par un déphaseur 50 placé en entrée de l'amplificateur de puissance 2. Ce déphaseur peut être constitué par une ligne à retard, par exemple un câble hyperfréquence enroulé.

Dans le cas où l'amplificateur de puissance 2 est de type basse ou moyenne fréquence, le coup Leur directif 38 peut être remplacé par un moyen de prélevement de la tension du signal d'entrée, par exemple un transformateur. De plus, l'amplificateur 44 dont le signal est proportionnel à la racine carrée du signal reçu est supprimé, si la détection est linéaire.

Une variante de réalisation du dispositif de linéarisation de ta figure 4 est représentée sur la figure 5. Sur cette figure, les éléments identiques aux éléments de La figure 4 portent les mêmes références.

Dans ce dispositif de linéarisation, on a remplacé le détecteur quadratique 40 et l'amplifica- teur 44 par un détecteur 52 à diode de Schottky polarisée, en zone linéaire. Le signal délivré par ce détecteur est directement proportionnel à la racine carrée de la puissance du signal reçu.

On a représenté un autre mode de réalisation du dispositif de linéarisation d'un amplificateur de puissance hyperfréquence sur la figure 6. Il s'agit d'un di-spositif de linéarisation du type bouc Le d'enveloppe à gain constant qui peut être avantageux dans les applications ne nécessitant pas une bande passante importante.

Dans ce dispositif, on prélève une fraction de. la puissance d'entrée et de la puissance de sortie de l'amplificateur de puissance 2 au moyen de deux coupleurs directifs 38. Des détecteurs 40 délivrent des signaux de tension proportionnels å la puissance de ces signaux prélevés. Ces signaux de tension sont traités par un moyen d'élaboration 54 qui délivre le signal de commande VE de la tension de polarisation continue Vbo sur L'émetteur du transistor bipolaire de
L'amplificateur.

Ce dispositif peut être adapté à La linearisation d'un amplificateur de puissance basse ou moyenne fréquence par le remplacement des coupleurs directifs 38 par des transformateurs.. Le traitement effectué par le moyen d'élaboration 54 sera différent selon que la détection est quadrati-que-ou linéaire.

La figure 7 est un graphique illustrant la linéarisation du gain d'un amplificateur de puissance hyperfréquence obtenue avec un dispositif de linéarisation conforme à la figure 4.

L'amplificateur de puissance est réalisé en technologie microstrip sur matériau Téflon et fonctionne à la fréquence de 2500 AHz. Il comprend un transistor bipolaire MSC 3000.

Dans le dispositif de linéarisation utilisé, l'amplificateur 44 est un amplificateur logarithmique, l'ensemble détecteur quadratique 40-amplificateur logarithmique ayant une pente de -185 mVIdB pour une puissance d'entrée du détecteur variant entre -7,5 dBm et -16 dBm. La tension de commande VE est nulle pour une puissance d'entree du détecteur supérieure à -7,5 dBm et tend asymptotiquement vers -1,2 V pour une puissance du détecteur d'entrée nulle et lorsque la résistance 34 est égale à la résistance 30 (figure 3).

La courbe C1 de la figure 7 représente le gain, en décibel, de l'amplificateur de puissance en fonction de la puissance d'entrée Pe, en dBm, en l'absence de dispositif de linéarisation. La courbe C2 représente ce gain avec le dispositif de linéarisation.

On note que le gain varie de moins de un décibel pour une plage de puissance d'entrée de l'ordre de 20 décibels. De plus ce gain est élevé puisqu'il est de l'ordre de 8,5 decibels.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de linéarisation du gain d'un amplificateur de puissance à transi st-or bipolaire po larisé en classe C, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (40, 42) qui commande la tension de polarisation continue de la jonction base-émetteur dudit transistor en fonction du signal d'entrée de l'amplificateur de puissance.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de commande maintient constant L'angle de conduction du transistor bipolaire de l'amplificateur de puissance.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (38) pour prélever une fraction de la puissance du signal d'entrée, la sortie dudit moyen étant reliée à l'entrée du moyen de commande.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de commande comprend un détecteur quadratique (40) et un moyen d'amplification (42) qui délivre un signal proportionnel à La racine carrée du signal reçu

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen d'amplification (42) comprend un amplificateur linéaire d'adaptation (46), un amplificateur Logarithmique (44) et un adaptateur d'impédance (48).

6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de commande comprend un détecteur (52) à diode Schottky polarisée, en zone linéaire, un amplificateur Linéaire d'adaptation (42) et un adaptateur d'impédance (48).

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, ca-ractérise en ce qu'il comprend un moyen pour prélever une fraction de la tension du signal d'entree, la sortie dudit moyen étant reliée à l'entrée du moyen de commande.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de commande comprend un détecteur linéaire (40), un amplificateur linéaire d'adaptation (46) et un adaptateur d'impédance (48).

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, en entrée de l'amplificateur de puissance, un déphaseur (SO) pour remettre en phase le signal d'entrée et la tension de polarisation continue délivrée par ê moyen de commande.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications- 1 et 2, caractérisé en ce que le moyen de commande reçoit en outre un signal représentatif du signal de sortie de l'amplificateur de puissance.

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend deux moyens (38) pour prélever une fraction du signal d'entrée et une- fraction du signal de sortie de l'amp-lificateur-de puissance et en ce que le moyen de commande comprend-deux détecteurs (40) et un moyen d'élaborati-on (54).