Bases et caractéristiques importantes des amplificateurs de puissance RF

Bases et caractéristiques importantes des amplificateurs de puissance RF 

Le rôle de l’amplificateur de puissance de l’appareil mobile est de fournir un niveau de puissance suffisamment élevé à l’antenne, tout en minimisant la distorsion du signal modulé, afin que la station de base puisse démoduler adéquatement le signal transmis. Puisque le fonctionnement de cette composante requiert une consommation de puissance élevée, elle joue un rôle prépondérant dans la durée de vie de la batterie des appareils mobiles entre deux cycles de recharge. De ces faits, les caractéristiques importantes des amplificateurs de puissance RF sur puce sont le gain, la puissance de sortie, la linéarité, l’efficacité énergétique, l’angle de conduction, la distorsion mesurée par « Error Vector Magnitude » (EVM) et le dimensionnement de la matrice d’amplification.

Classe d’opération et angle de conduction

Les amplificateurs sont catégorisés par leur classe d’opération qui est déterminée en fonction de l’angle de conduction de l’onde de tension d’entrée. L’angle de conduction est ajusté par le point de polarisation de la grille du transistor MOS positionnant la moyenne de l’onde d’entrée par rapport au seuil de conduction de l’amplificateur. Par exemple, un amplificateur en classe A, étant polarisé au centre de sa plage dynamique d’entrée, maximise l’excursion de la tension d’entrée sans écrêtage du signal amplifié et permet donc un angle de conduction de 2π radian et minimise la distorsion de l’onde de courant de sortie.

La réduction de l’angle de conduction mène vers une réduction du courant moyen au drain, ce qui est une alternative bénéfique à l’efficacité énergétique du PA étant donné la réduction de la puissance DC consommée. La contrepartie est une coupure de l’onde du courant AC au drain, résultant en une tendance vers la non-linéarité de l’amplificateur. Une analyse de Fourrier de l’onde AC de courant de drain (Cripps, 2006) montre un comportement intéressant du signal à la sortie de l’amplificateur en termes de génération d’harmoniques.

Les mesures expérimentales ne permettent pas toujours de déterminer directement l’angle de conduction, particulièrement si la fréquence de l’onde se situe dans les radiofréquences. Le critère utilisé pour positionner l’amplificateur en classe A en expérimentation dans ces travaux de recherche est la constance du courant moyen de drain avec l’augmentation de la puissance RF d’entrée. Car, dans une autre classe d’opération, comme en classe AB, l’asymétrie du courant de sortie fait en sorte que la moyenne de l’onde de courant, donc le courant moyen consommé de l’alimentation, tend à augmenter avec la puissance RF de sortie.

Caractéristiques des détecteurs de puissance et d’enveloppe 

Le rôle du détecteur est d’extraire l’enveloppe d’un signal modulé d’une grande largeur de bande, tout en minimisant son impact sur le signal RF et sur l’efficacité énergétique globale du système. De ces faits, les caractéristiques importantes pour le détecteur d’enveloppe sont la plage dynamique de détection, la bande passante, la consommation de puissance et la plage dynamique de tension de sortie.

Résumé des caractéristiques importantes des amplificateurs linéaires et des détecteurs d’enveloppe 

Dans ce chapitre, les caractéristiques importantes des amplificateurs linéaires RF de puissance et des détecteurs d’enveloppe sont expliquées et seront utilisées comme référence théorique pour la suite de ce mémoire.

Le rôle de l’amplificateur linéaire de puissance RF pour appareil mobile est de fournir un niveau de puissance suffisamment élevé à l’antenne, tout en minimisant la distorsion du signal modulé et en maximisant l’efficacité énergétique. Les caractéristiques expliquées dans ce chapitre sont :
• la puissance de sortie, le gain et la linéarité;
• l’efficacité énergétique (PAE);
• la classe d’opération et l’angle de conduction;
• l’ « error vector magnitude » (EVM);
• la dimension de la matrice d’amplification.

Le rôle du détecteur d’enveloppe est d’extraire l’enveloppe d’un signal modulé en amplitude d’une grande largeur de bande, tout en minimisant son impact sur le signal RF et sur l’efficacité énergétique globale du système. Les caractéristiques expliquées dans ce chapitre sont :
• le signal de sortie du détecteur;
• la fonction de transfert, la plage dynamique d’entrée, la plage dynamique de sortie et la sensibilité;
• le temps de réponse et le régime transitoire;
• la fréquence d’opération et la bande passante.

Revue des détecteurs de puissance RF

Les trois principales catégories de détecteur de puissance sont les détecteurs à thermocouple, les détecteurs à diode et les détecteurs à transistor MOSFET. Un avantage des détecteurs à thermocouple et à diode est qu’ils consomment uniquement la puissance RF et ne requièrent aucune autre source d’alimentation. En contrepartie, les détecteurs à thermocouple ne sont pas assez rapides pour la détection d’enveloppe dans les MHz d’un signal RF. En plus, les détecteurs à thermocouple intégrés sur puce CMOS requièrent des étapes postproductions afin de les libérer de la masse thermique du substrat et demandent un confinement particulier puisqu’il y a plusieurs sources de chaleur pouvant grandement nuire à leurs performances (Richardson, 2011), éliminant ce choix. Les diodes disponibles en technologie CMOS n’offrent pas de bons temps de réponse pour des détecteurs rapides. Il est possible d’utiliser des étapes postproductions afin de créer des diodes Schottky (Jeon, 2005) qui sont assez rapides, mais cette solution n’est pas envisageable pour ce projet qui nécessite une facilité d’intégration. D’ailleurs, (Jeon, 2005, p. 94) a effectué une comparaison entre des détecteurs à diode Schottky et des détecteurs à transistors MOSFET sur puce CMOS mettant en évidence la rapidité des détecteurs MOSFET au prix d’une plus petite plage dynamique. La capacité d’obtenir une bonne rapidité, la facilité d’intégration, la possibilité d’obtenir une grande impédance d’entrée influencent positivement le choix vers les détecteurs MOSFET.

Les détecteurs de puissance RMS et d’enveloppe à transistor MOSFET 

Plusieurs détecteurs dits rapides utilisent une détection basée sur un redressement de l’onde RF pour créer une asymétrie en fonction de son amplitude suivie d’un filtrage pour éliminer les composantes RF. Une approche de conception de système sur puce appelée « Built-inselft-test » (BIST) propose des capteurs de test pour circuiterie RF intégrés sur puce. L’utilité de ces capteurs est de faciliter la conception de RFICs en intégrant sur la même puce des circuits de test afin de déduire la valeur d’une puissance ou d’une tension RF par une simple lecture DC, ou basse fréquence, sans l’utilisation d’équipement coûteux et complexe. Les détecteurs de puissance et d’enveloppe ont grandement profité de la popularité grandissante des BISTs dans les dernières années. Certains détecteurs RMS, même s’ils ne répondent pas aux besoins de cette recherche qui vise une détection d’enveloppe, démontrent des caractéristiques pertinentes. (Valdes-Garcia et al., 2008; Valdes Garcia et al., 2005) décrivent brillamment un détecteur RMS dont l’impédance d’entrée est augmentée par l’utilisation d’un amplificateur de courant au coût d’une plus grande complexité et d’une plus grande consommation. Le redressement de l’onde est effectué en attaquant un miroir de courant nMOS faiblement polarisé par le drain. Cette méthode est la plus classique pour un redresseur demi-onde. (Duong et Dabrowski, 2012) proposent un détecteur d’amplitude en CMOS 65 nm pour des calibrations sur puce. Ces derniers ont ajouté une boucle de gain (« boosting loop ») en vue d’augmenter la sensibilité du détecteur. Un autre aspect intéressant de ce travail est l’ajustement des tensions de polarisation afin d’utiliser le même détecteur pour différentes plages dynamiques de détection.

Cependant, on note une petite quantité d’articles dédiée à la détection d’enveloppe de signaux RF en technologie CMOS; en voici quelques-uns. (Jeongwon et al., 2009; Yanping et al., 2008) proposent des détecteurs d’enveloppe qui utilisent un amplificateur opérationnel de transconductance en boucle ouverte pour la conversion de la tension RF en courant RF. L’utilisation de l’amplificateur limite toutefois la bande passante à quelque mégahertz. (Asbeck et Fallesen, 2002) proposent un détecteur d’enveloppe d’une bande passante de 50 MHz pour la linéarisation d’un amplificateur de puissance en CMOS 0.25 µm. Le détecteur utilise un transistor nMOS polarisé adéquatement afin que les lobes négatifs de l’onde RF de courant au drain soient éliminés. Une capacité placée au drain de ce même transistor court circuite l’onde RF laissant uniquement la composante de l’enveloppe de la demi onde de courant. Malheureusement, cette conception nécessite une référence en tension RF représentant une puissance RF spécifique causant un dédoublement du détecteur, ce qui est nuisible à la complexité et à la consommation du détecteur. Aussi, cette conception est caractérisée seulement avec des signaux modulés de faible PAPR. (Zhang, Gharpurey et Abraham, 2012) décrivent un détecteur d’enveloppe utilisé pour des tests sur puce qui utilise une entrée différentielle pMOS et qui possède une bande passante de 100 MHz. Cependant, il n’est que caractérisé en simulation et à l’aide d’une entrée à deux tonalités simplement additionnées et non par un signal AM. Cela ne répond pas aux objectifs de détecter une enveloppe d’un signal modulé centrée sur une porteuse, comme requis dans cette recherche.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 CARACTÉRISTIQUES IMPORTANTES DES AMPLIFICATEURS LINÉAIRES RF DE PUISSANCE ET DES DÉTECTEURS D’ENVELOPPE
1.1 Introduction
1.2 Bases et caractéristiques importantes des amplificateurs de puissance RF
1.2.1 Puissance de sortie, gain, et linéarité
1.2.2 Efficacité énergétique
1.2.3 Classe d’opération et angle de conduction
1.2.4 « Error Vector Magnitude »
1.2.5 Dimensionnement de la matrice d’amplification
1.3 Caractéristiques des détecteurs de puissance et d’enveloppe
1.3.1 Signal de sortie du détecteur
1.3.2 La fonction de transfert, la plage dynamique d’entrée, la plage dynamique de sortie et la sensibilité
1.3.3 Le temps de réponse et régime transitoire
1.3.4 La fréquence d’opération et la bande passante d’enveloppe
1.4 Résumé des caractéristiques importantes des amplificateurs linéaires et des détecteurs d’enveloppe
CHAPITRE 2 DÉTECTION DE PUISSANCE ET D’ENVELOPPE EN CMOS – ÉTAT DE L’ART
2.1 Introduction
2.2 Revue des détecteurs de puissance RF
2.2.1 Les détecteurs de puissance RMS et d’enveloppe à transistor MOSFET
2.3 Conclusion sur la technique de circuit sélectionnée pour la proposition d’une détection d’enveloppe
CHAPITRE 3 CONCEPTION ET CARACTÉRISATION D’UN DÉTECTEUR D’ENVELOPPE EN CMOS 0.18 UM ET DE SES CIRCUITS SECONDAIRES
3.1 Introduction
3.2 Principe de fonctionnement du détecteur d’enveloppe
3.2.1 Modes de fonctionnement du détecteur
3.3 Conception du détecteur d’enveloppe et de ses circuits secondaires
3.3.1 Schéma électrique de l’amplificateur de courant et du détecteur d’enveloppe
3.3.2 Explications théoriques du fonctionnement de l’amplificateur de courant
3.3.2.1 Isolation à l’entrée et conversion tension RF vers courant RF
3.3.2.2 Étages d’amplification du courant et ajustement pour maximiser le transfert vers l’entrée du détecteur d’enveloppe
3.3.3 Explication du fonctionnement du détecteur d’enveloppe
3.3.3.1 Impédance d’entrée, redresseur et ajustement intégré de la plage de détection
3.3.3.2 Conversion courant/tension, filtre RC et ajustement intégré de la plage dynamique de la tension de sortie
3.3.3.3 Filtre passe-bas de sortie
3.3.4 Description des circuits de polarisation
3.3.4.1 Polarisation par pont diviseur CMOS
3.3.4.2 Polarisation par référence de courant auto-polarisée
3.3.5 Schémas électriques du détecteur, de l’amplificateur de courant et des circuits de polarisation de la puce et dimensionnement des composantes
3.4 Considérations sur le comportement en stabilité relative du détecteur
3.4.1 Influence des lignes d’alimentation et des fils d’or et conception d’un réseau de filtrage de l’alimentation
3.4.1.1 Conception d’un réseau Z0LC de filtrage de l’alimentation
3.4.2 Influence des circuits de polarisations sur le comportement transitoire du détecteur en simulation
3.5 Sommaire des résultats de simulation pour les deux versions du détecteur
3.6 Positionnement stratégique des points de mesures et des possibilités d’ajustement hors puce
3.6.1 Ajustement de l’impédance du transistor M1
3.6.2 Point de lecture M4M5a
3.6.3 Ajustement de VPOL_M2
3.6.4 Ajustement des références de courant auto-polarisée et possibilité d’utiliser des tensions de polarisation externes
3.7 Détails de la synthèse de la puce du détecteur d’enveloppe et de ses circuits secondaires en CMOS 0.18 µm
3.7.1 Présentation des composantes spécifiques à la technologie CMOS 0.18 µm de TSMC
3.7.1.1 Transistors NMOS et PMOS et structure « Deep N Well »
3.7.1.2 Résistances
3.7.1.3 Capacités
3.7.1.4 Diodes de protection contre les décharges électrostatiques
3.7.1.5 Traces conductrices
3.7.2 Considérations sur les plots, les lignes d’alimentation et la protection contre les décharges électrostatiques
3.7.2.1 Plots avec protection contre les décharges électrostatiques
3.7.3 Distribution des lignes d’alimentation sur la puce
3.7.4 Présentation de la synthèse des détecteurs d’enveloppe et des circuits de polarisation
3.7.4.1 Surfaces de puce utilisée par les détecteurs comparées à celle de la matrice d’amplification
3.8 Résultats expérimentaux et performances mesurées du détecteur d’enveloppe
3.8.1 Schéma de test et nœuds de mesures
3.8.2 Ajustement de la polarisation et consommation statique
3.8.3 Mesure de la fonction de transfert
3.8.4 Mesure de la résistance réelle de sortie avec une excitation AM
3.8.5 Réponse en fréquence et mesure de la bande passante
3.8.5.1 Hypothèses sur les sources potentielles des capacités parasites présentes à la sortie du détecteur
3.8.6 Mesure de l’excursion maximale du signal de sortie
3.8.7 Résumé des performances clés et comparaison avec d’autres détecteurs de puissance
3.9 Résumé de la conception et de la caractérisation du détecteur d’enveloppe et de ses circuits secondaires
CHAPITRE 4 CARACTÉRISATION DES PERFORMANCES D’UNE MATRICE D’AMPLIFICATION EN CMOS 0.18 UM
4.1 Introduction
4.2 Description de la matrice d’amplification RF réalisée en CMOS 0.18 µm
4.2.1 Schéma électrique de l’amplificateur
4.2.2 Dimensionnement de la matrice d’amplification
4.2.3 Polarisation, adaptations d’impédance et résumé des performances en simulation
4.3 Détails de la synthèse de la puce de la matrice d’amplification en CMOS 0.18 µm
4.3.1 Présentation des composantes spécifiques à la technologie CMOS 0.18 µm de TSMC utilisées dans la synthèse de la matrice d’amplification
4.3.1.1 Transistor NMOS RF
4.3.1.2 Plots et protection contre les décharges électrostatiques
4.3.2 Structure des lignes d’alimentations et distribution des plots d’entrées/sorties
4.3.2.1 Plan de la synthèse
4.4 Résultats expérimentaux et performances mesurées pour la caractérisation de la matrice d’amplification
4.4.1 Présentation du schéma de test de l’amplificateur
4.4.2 Points de polarisation et classe d’opération
4.4.3 Mesures des paramètres S en petit signal
4.4.4 Courbes de la puissance de sortie, du gain et de l’efficacité de l’amplificateur
4.5 Résumé de la caractérisation d’une matrice d’amplification en CMOS 0.18 µm
CHAPITRE 5 SYSTÈME RF POUR ÉVALUER L’EFFET DU DÉTECTEUR D’ENVELOPPE SUR LES PERFORMANCES DE L’AMPLIFICATEUR RF DE PUISSANCE
5.1 Introduction
5.2 Schéma du système RF et distribution de la puissance disponible
5.3 Schéma de test du système RF
5.4 Mesure expérimentale de la fonction de transfert du détecteur au sein du système RF
5.5 Mesures expérimentales pour l’étude de l’effet du détecteur d’enveloppe sur l’étage de sortie du PA
5.5.1 Évaluation de l’effet du détecteur sur le gain et l’efficacité énergétique de l’étage de sortie du PA
5.5.2 Mesure de l’enveloppe d’un signal CDMA et évaluation de la distorsion causée par le détecteur par une mesure d’« error vector magnitude »
5.6 Résumé sur l’évaluation de l’effet du détecteur d’enveloppe sur les performances de l’étage de sortie d’un amplificateur de puissance
CONCLUSION

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