Présentation
Auteur(s)
-
Michel TURIN : Ingénieur de l'Institut national des sciences appliquées (INSA) - Expert en puissance hyperfréquences
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleINTRODUCTION
Cet article et le suivant [E 1 611] traitent de l'amplification de puissance radiofréquence état solide. Les domaines d'application concernent tous les systèmes qui doivent délivrer une puissance en sortie significative pour le produit considéré. On peut grossièrement les classer en deux catégories, selon les contraintes de linéarité :
-
applications non linéaires, telles que les télécommunications à enveloppe constante, les dispositifs à impulsions (radars, médical) et le domaine industriel ;
-
applications linéaires qui sont de plus en plus indispensables aux services de télécommunications modernes.
Le domaine de fréquences envisagé ici recouvre la gamme de quelques dizaines de kilohertz jusqu'aux limites technologiques actuelles, soit plus de la centaine de gigahertz. Dans la majorité des applications, le sous-ensemble d'amplification de puissance excite une antenne destinée à l'émission d'ondes électromagnétiques. Dans le domaine industriel, celui des plus basses fréquences, l'organe de sortie du système est généralement un solénoïde induisant un champ magnétique.
Dans notre propos, la notion de puissance est toute relative : ainsi, dans le domaine industriel, on parlera de dizaines ou centaines de kilowatts, alors que dans certains domaines des télécommunications, la puissance de sortie peut n'être que de l'ordre du watt (téléphones portables par exemple).
Dans tous les cas cependant, il s'agit de puissance au sens où le sous-ensemble d'amplification consomme la plus grande partie de l'énergie nécessaire au fonctionnement du système complet, et doit donc faire l'objet d'une attention particulière lors de la conception, de façon à optimiser le budget consommation et dégrader le moins possible les paramètres de définition du signal. Ces deux aspects constituent le point commun entre toutes les applications d'amplification de puissance, indépendamment des puissances mises en jeu en valeur absolue.
Si ces critères sont une constante, nous verrons que les solutions proposées peuvent différer, essentiellement pour des raisons technologiques, selon les puissances en valeurs absolues et les gammes de fréquence des systèmes.
Les particularités mentionnées induisent deux conséquences fondamentales sur la conception des amplificateurs de puissance : d'une part, l'optimisation du rendement de conversion de la source d'alimentation vers le signal radiofréquence, d'autre part, la prise en compte des distorsions non linéaires. Un troisième aspect, sous-jacent de la mise en œuvre de puissance, concerne la compréhension des phénomènes thermiques et le traitement de la dissipation de puissance.
Par rapport à l'amplification de petits signaux, pour laquelle les dissipations restent faibles et les distorsions négligeables, l'amplification de puissance sera caractérisée par la mise en œuvre de la plus grande dynamique possible du signal de sortie de l'étage amplificateur, c'est-à-dire qu'on cherchera à approcher les limites de la saturation et du blocage lors de l'excursion du signal.
S'agissant d'état solide, les tensions d'alimentation sont limitées, engendrant des courants importants et par conséquent les impédances d'accès relativement faibles.
Cet article constitue une première partie sur l'amplification de puissance radiofréquence. Après un rappel des définitions des quelques grandeurs utilisées spécifiquement dans le domaine de la puissance, cette partie décrira les principes et les structures de base des amplificateurs de puissance RF (classes d'amplification). Nous présenterons ensuite leurs évolutions, ainsi que des montages plus complexes, proposés pour optimiser certaines performances. Enfin, l'évolution des systèmes allant vers une globalisation de leur conception en vue d'optimiser leurs performances et leurs coûts par une approche pluridisciplinaire, nous aborderons la présentation de procédés d'amplification plus originaux associant d'autres parties du système (traitement de signal). Pour chaque sujet, quelques éléments de décision seront donnés grâce à des indications quantitatives des principales performances. L'amplification état solide faisant appel à des composants dont les puissances unitaires sont limitées (par rapport aux tubes), un paragraphe sera consacré à une présentation succincte des procédés de couplage mis en œuvre pour multiplier cette puissance.
Les paramètres à considérer pour la conception d'amplificateurs de puissance radiofréquence sont : le rendement en puissance, les adaptations d'impédance, la linéarité, les problèmes thermiques et la fiabilité. Nous définirons ces paramètres et un paragraphe sera consacré aux différentes technologies de semi-conducteurs assorties d'une comparaison de leurs caractéristiques respectives.
Un deuxième article traitera plus en détail de la mise en œuvre des amplificateurs à partir des composants disponibles, des caractéristiques de linéarité et des systèmes de correction indispensables aux applications modernes.
DOI (Digital Object Identifier)
Cet article fait partie de l’offre
Électronique
(232 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Présentation
6. Technologies des semi-conducteurs
La technologie des semi-conducteurs est un des paramètres de sélection dans la stratégie de conception des amplificateurs RF de puissance. Elle concerne les deux aspects de la définition des composants actifs de puissance : les matériaux (types, assemblages...), et les structures (bipolaire, FET...). Ces deux aspects sont présentés brièvement ci-après.
6.1 Matériaux
Le tableau ci-contre présente les caractéristiques des matériaux semi-conducteurs pour les paramètres les plus importants au regard de l'utilisation en puissance RF.
Ils sont classés approximativement de gauche à droite en fonction de leur intérêt croissant du produit puissance x fréquence, les paramètres déterminants étant les suivants :
-
la bande interdite permet de préjuger des tenues en champ électrique et en température ;
-
le champ de claquage détermine la tension maximale de fonctionnement ;
-
la mobilité définit l'aptitude en fréquence au plan général ;
-
la vitesse de saturation détermine les fréquences maximales en puissance ;
-
la conductibilité thermique permet de prévoir les capacités de dissipation ;
-
la densité de puissance (rapportée au développement de grille d'un FET) permet de comparer les surfaces nécessaires de matériaux.
Les deux premières colonnes du tableau ci-contre concernent les matériaux traditionnels, et les trois dernières concernent les matériaux dits « à grand gap » (bande interdite), qui sont plus particulièrement mis en avant pour la puissance grâce à leur capacité à fonctionner en haute température. L'InP n'est pas un matériau grand gap, mais il présente des avantages en termes de fréquences.
HAUT DE PAGE
Le silicium (Si) est le matériau universellement utilisé en puissance pour les fréquences jusqu'à la bande S (2 à 3 GHz) et le SiGe pour la puissance sous très faible tension (terminaux radio téléphone). Le silicium, bénéficiant des retombées...
Cet article fait partie de l’offre
Électronique
(232 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Technologies des semi-conducteurs
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
The Rf Transmission Systems Handbook (Manuel des systèmes de transmission RF).
-
Class-E RF Power Amplifiers (Amplificateurs RF classe E).
-
Load Network Design Technique for Switched-Mode Tuned Class E Power Amplifiers (Technique de conception du réseau de charge pour les amplificateurs de puissance en mode commuté classe E).
-
Design strategies for efficient and linear rf power amplifiers (Stratégies de conception pour la linéarité et le rendement des amplificateurs de puissance RF).
-
A 1.9-GHz, 1-W CMOS Class-E Power Amplifier for Wireless Communications (Amplificateur 1W à 1,9 GHz en CMOS classe E pour les communications sans fils).
-
...
À lire également dans nos bases
TURIN (M.) - Amplification de puissance radiofréquence à l'état solide. Paramètres de mise en œuvre. - [E 1 611], Électronique (2008).
LEMOINE (T.) - Tubes électroniques hyperfréquences. Technologies, tubes à grilles et klystrons. - [E 1 620], Électronique (2008).
LEMOINE (T.) - Tubes électroniques hyperfréquences. Tubes à ondes progressives et à champs croisés. - [E 1 621], Électronique (2008).
RUMELHARD (C.) - MMIC. Déphaseurs et amplificateurs. - [E 1 427], Électronique (2004).
HAUT DE PAGE
XLIM, département Composants circuits signaux et systèmes hautes fréquences (C2S2) http://www.xlim.fr
Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologies (IEMN) http://www.iemn.univ-lille1.fr/
HAUT DE PAGE
Cree http://www.cree.com/
Ericsson http://www.ericsson.com/fr/
...
Cet article fait partie de l’offre
Électronique
(232 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive