Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article s’intéresse aux amplificateurs de puissance à état-solide en radiofréquence, notamment suite à l’introduction de technologies "grand gap" en nitrure de gallium (GaN). Il introduit les technologies état-solide de puissance MESFET, MOSFET et HEMT, décrit le fonctionnement des transistors et expose les performances accessibles en termes de puissance, fréquence et rendement. Il s’intéresse également aux différentes classes de fonctionnement et aux solutions permettant d’optimiser le compromis rendement - linéarité.
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This article focuses on solid-state RF power amplifiers, following the arrival on the market of wide-gap technologies such as gallium nitride (GaN). MESFET, MOSFET and HEMT RF power solid-state technologies are introduced, transistor principles are described, and accessible performance is assessed in terms of power, frequency and efficiency. Classes of operation are also presented, together with solutions to improve amplifier efficiency for a specified level of linearity.
Auteur(s)
-
Thierry LEMOINE : Directeur technique - THALES Microwave and Imaging Subsystems, Vélizy, France
INTRODUCTION
Depuis les années 1970, et davantage encore depuis 1985 et l’émergence des technologies de puissance en GaAs, les concepteurs de fonctions d’amplification de puissance ont accès à des dispositifs état solide (SSPA pour Solid-State Power Amplifiers). Par rapport aux tubes électroniques, l’état solide est en règle générale moins cher et plus (parfois beaucoup plus) intégré. Donc, si une fonction est réalisable avec des transistors, cette technologie sera préférée ; la puissance en fonction de la fréquence d’une fonction état solide est le premier paramètre à considérer dans une analyse comme celle-ci. Cependant, la comparaison peut être moins simple et les critères plus complexes. Volume, linéarité, facteur de bruit et rendement électrique en particulier sont souvent pris en compte [E 1 426].
Quelle puissance peut être obtenue avec un SSPA ? Comme pour les tubes, il faut distinguer entre les technologies : transistor à effet de champ ou bipolaire, MESFET, MOSFET ou HEMT. S’ajoutent deux autres niveaux de complexité non retrouvés dans les tubes hyperfréquence. D’une part, les dispositifs état solide, très intégrés, se prêtent à des arrangements divers (classes de polarisation, assemblage de composants, etc.), le spectre des solutions possibles est étendu, fruit de compromis entre puissance, bande passante, linéarité et rendement. D'autre part, les transistors élémentaires offrent des puissances limitées, et la réalisation d’amplificateurs de puissance exige de les combiner. Cette mise en parallèle est presque systématique, sur une puce s’il s’agit d’un MMIC, puis entre puces.
Nous décrivons les performances de l’état solide en adoptant une hiérarchie technologie des composants élémentaires / classes de fonctionnement / mise en parallèle. Les éléments nécessaires à une bonne compréhension sont donnés et le lecteur se reportera aux articles [E 1 426] [E 1 610] [E 1 611] [E 2 450] [E 2 810] pour davantage d’explications.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes et expressions importants de l’article, ainsi qu’un tableau des acronymes et un tableau des sigles utilisés.
L'auteur tient à exprimer sa reconnaissance envers les experts techniques de THALES, en particulier MM. Sylvain Delage, Philippe Thouvenin et Gildas Gauthier.
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Symboles7. Acronymes
ACPR : Adjacent Channel Power Ratio
AM : Amplitude modulation
APSK : Amplitude and Phase Shift Keying
BER : Bit Error Rate
BP : bande passante (BW : BandWidth)
CEM : Compatibilité Electro-Magnétique (ECM : Electro-Magnetic Compatibility)
CW : Continuous Wave
EER : (Kahn) Envelop Elimination and Restauration
ET : Envelop Tracking
EVM : Error Vector Magnitude
HBT : Heterojunction Bipolar Transistor
HCI : Hot Carrier Injection
HFET : Heterojunction Field Effect Transistor
HEMT : High Electron Mobility Transistor
IBO : Input Back Off
JFET : Junction Field Effect Transistor
LDMOS : Lateral Double Diffusion Metal Oxide Semiconductor
LINC : Linear Amplification using Non Linear Components
MAG : Maximum Available Gain
MESFET : Metal Semiconductor Field Effect Transistor
MMIC : Microwave Monolithic Integrated Circuit
MODFET : Modulation Field Effect Transistor
MOSFET : Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
MSG : Maximum Stable Gain
MTBF : Mean Time Between Failures
NPR : Noise Power Ratio
OBO : Output Back Off
PAE : Power Added Efficiency
PAR : Peak-to-Average Ratio
pHEMT : Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor
PM : Phase Modulation
QAM : Quadrature Amplitude Modulation
QPSK : Quadratic Phase Shift Keying
RESURF : Reduced Surface Field
RF : Radio-Fréquence
SSPA : Solid State Power Amplifier
SSG : Small Signal Gain
TEGFET : Two-dimension Electron Gas Field Effect Transistor
TEM : Transverse Electro-Magnetic
TOS : Taux d’Ondes Stationnaires
TWT : Traveling Wave Tube (Tube à Ondes Progressives)
VDMOS : Vertical Double Diffusion Metal Oxide Semiconductor
VSWR : Voltage Standing Wave Ratio
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Acronymes
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MISHRA (U.K.), SINGH (J.) - Semiconductor Device Physics and Design. - Springer (2008).
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(2) - BAHL (I.J.) - RF and Microwave Transistor Amplifier. - Wiley (2009).
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(3) - WALKER (J.L.B.) - Handbook of RF and Microwave Power Amplifiers. - Cambridge (2012).
-
(4) - MATHIEU (H.), FANET (H.) - Physique des semiconducteurs et composants électroniques. - Dunod (2009).
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(5) - SZE (M.S.) - Physics of Semiconductors Devices (2nd Ed.). - Wiley (1981).
-
(6) - GREBENNIKOV (A.), SOKAL (N.O.), FRANCO (M.J.) - Switchmode RF and Microwave Power Amplifiers. - Academic Press (2012).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
L'édition annuelle des proceedings de l’IMS (MTT-S) et EuMW.
HAUT DE PAGE2 Données statistiques et économiques
Une liste complète serait difficile à établir dans le cas de l’état solide, compte tenu de la diversité des acteurs. Il faudrait prendre en compte les fabricants des wafers épitaxiés, les fonderies (ouvertes ou non, voire captives, certaines étant de gros laboratoires industriels avec une activité de recherche prédominante), les « design house », les sociétés d’assemblage micro-électronique, et les fabriquant d’émetteurs, voire certains distributeurs. Le tableau 1 ne s’intéresse qu’aux fonderies RF (hors composants pour alimentations et VDMOS).
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