Amplificateurs de puissance distribués à cellules cascodes sur la bande 4-18GHz

Différentes architectures d’amplificateurs de puissance large bande

La conception d’un amplificateur de puissance large bande nécessite l’utilisation de topologies spécifiques permettant la compensation des variations en fonction de la fréquence des performances de l’élément actif tout en l’adaptant sur toute sa bande de fonctionnement. Dans ce paragraphe, les différentes structures large bande existantes sont présentées et développées autour du transistor à effet de champ (TEC). Les amplificateurs de puissance dits « large bande » fonctionnent sur une bande de fréquence supérieure à une octave (fmax>2.fmin). Cet objectif implique l’utilisation de topologies spécifiques permettant d’obtenir un gain plat et maximum sur toute la largeur de bande ainsi qu’une adaptation entrée/sortie performante. En effet, la décroissance naturelle du gain d’un transistor est de 6dB par octave. Une solution efficace pour obtenir un gain plat consiste à absorber l’excès de puissance aux basses fréquences en implantant des circuits dissipatifs sans pour autant perturber le fonctionnement aux hautes fréquences. En outre, l’obtention d’une adaptation entrée/sortie performante sur toute la bande reste un point crucial : la difficulté provient de la variation de la valeur des impédances d’entrée et de sortie présentées par le transistor (supérieures à 50Ω aux basses fréquences et inférieures à 50Ω aux hautes fréquences). Nous présentons dans les paragraphes suivants quatre topologies principales d’amplificateurs de puissance large bande permettant de remplir ces conditions.

Les amplificateurs à adaptation résistive

Pour l’amplificateur à adaptation résistive, le principe consiste à placer une résistance parallèle entre la grille et la source sur l’entrée, et entre le drain et la source sur la sortie. La plupart de ces amplificateurs sont pré-adaptés à l’aide de filtres d’accord d’entrée et de sortie afin de rendre les impédances d’entrée et de sortie purement résistives (Figure 3-1). Ces impédances ont donc une dépendance en fréquence très faible ce qui facilite l’obtention d’une bande de fréquence importante. Les deux résistances entrée-sortie (Rs, Re) sont découplées aux fréquences microondes par une self inductance (Xs, Xe) de telle sorte que l’impédance à adapter aux hautes fréquences reste l’impédance d’entrée du transistor et que le gain disponible du transistor soit conservé.Ce type d’amplificateur nécessite l’utilisation de transistors affichant une forte transconductance gm. Il est alors possible d’augmenter le gain par la mise en cascade de plusieurs étages résistifs afin d’augmenter le gain total de l’amplificateur. Cependant le nombre de cellules élémentaires mises en cascade reste limité car la stabilité de l’ensemble est sensible au nombre de mise en cascade. L’amplificateur résistif est une solution très efficace et très utilisée pour adapter en puissance sur des bandes passantes moyennes à larges. Malheureusement, cette topologie d’amplificateur ne permet pas d’obtenir des gains très plats (ondulation pouvant atteindre au moins 2dB) et pose des problèmes de stabilité. En revanche, il reste intéressant pour des largeurs de bande plus réduites tout en offrant de bonnes performances en puissance et une conception relativement simple. 

Les amplificateurs à contre réaction

Une autre alternative consiste à mettre un circuit de contre réaction entre la grille et le drain du transistor de manière à obtenir un gain plat et une puissance de sortie maximale tout en ayant une bonne adaptation entrée/sortie (Figure 3-2). Le circuit de contre réaction peut se composer de résistances associées en série à des éléments capacitifs et inductifs afin de limiter les effets néfastes sur les hautes fréquences en découplant les polarisations. La résistance parallèle Rc de contre réaction placée entre la grille et le drain permet donc l’adaptation basse fréquence. Aux hautes fréquences, la résistance de contre-réaction est découplée. Les circuits d’adaptation sont optimisés dans la bande de fréquence. Cette topologie nécessite aussi des transistors à forte transconductance gm et conduit à une certaine complexité de réalisation des circuits d’adaptation. Parallèlement, ce type d’amplificateur permet d’obtenir des gains très plats. En cascadant plusieurs étages, il est possible d’augmenter le gain sur la bande. Cette mise en cascade permet d’obtenir un gain plus élevé et plus plat sur une largeur de bande plus importante de façon très significative. Pour exemple, un amplificateur à contre réaction à 2 étages a été réalisé en 2005 dans la bande de fréquence 10MHz – 2.4GHz avec un gain linéaire de 23dB ± 1dB et une puissance de sortie @1dB de compression de 37dBm. Par conséquent, ce type d’amplificateur permet d’obtenir des largeurs de bande pouvant atteindre 2 octaves tout en offrant de très bonnes performances en puissance.

Les amplificateurs équilibrés

Les adaptations entrée/sortie des transistors aux fréquences microondes restreignent les performances en puissance à de faibles largeurs de bande. Une possibilité consiste à mettre les transistors en parallèle en configuration équilibrée (Figure 3-3). Des coupleurs d’entrée et de sortie présentant un déphasage de 90° (lange, …) permettent d’obtenir d’excellentes adaptations sur des largeurs de bande plus importantes. Cependant la taille des coupleurs aux basses fréquences représente une limitation.Cette topologie d’amplificateur permet d’obtenir d’excellentes adaptations et une combinaison des puissances pour des bandes de fréquences plus importantes mais cela reste relativement faible comparé aux spécifications de notre travail .

Les amplificateurs distribués 

L’amplificateur distribué a été créé puis développé dès 1948 à partir des tubes pentodes. Dans un amplificateur conventionnel, la mise en parallèle des transistors permet d’accroître le gain par addition des transconductances, mais l’augmentation correspondante des capacités d’entrée et de sortie limite la fréquence maximum. Lorsqu’on accroît le gain, la bande passante diminue car le produit gain-bande passante reste sensiblement constant. Pour l’amplificateur distribué (Figure 3-4), l’originalité de son principe réside dans le fait que l’on profite de l’addition des transconductances en compensant l’effet des capacités sur la fréquence de coupure haute par la réalisation de lignes artificielles de transmission LC en entrée et en sortie puisque les lignes de transmission sont des éléments large bande [3.8]. Cependant, l’utilisation des lignes met en évidence des contraintes spécifiques sur l’égalité des vitesses de phase pour assurer une bonne recombinaison directive en puissance vers la sortie.