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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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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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4. Linéarité d’un SSPA
4.1 Exigences de linéarité en télécommunications
En télécommunications, un signal numérique véhicule une succession de symboles, chacun caractérisé par une position précise dans un espace des phases à deux dimensions, définie par une amplitude et une phase (on parle de modulation PSK, APSK ou QAM). Un écart par rapport à cette position théorique (notée EVM pour Error Vector Magnitude) induit une dégradation du rapport signal sur bruit (C/I) et ultimement du taux d’erreur de la liaison (BER). Pour limiter l’amplitude de ces écarts, le gain d’un amplificateur et le déphasage entre l’entrée et la sortie doivent être indépendants du niveau du signal en entrée et de sa fréquence exacte (dans la bande de fonctionnement) : telles sont les contraintes de linéarité.
La phase est par nature modulée, et l’amplitude (on parle aussi d’enveloppe) d’un signal numérique n’est jamais constante. Les sauts d’amplitude sont liés à la modulation elle-même (sauf en PSK), au filtre de roll off (une modulation PQK, APSK ou QAM génère une infinité d’harmoniques qu’il faut filtrer pour confiner le signal dans la bande utile, au prix de fluctuations de phase et d’amplitude), et à une combinaison en phase accidentelle de plusieurs porteuses (en multi-porteuses, par exemple en OFDM). Ces variations d’amplitude sont décrites au premier ordre par un facteur de crête (PAR : Peak-to-Average Ratio), et si on veut être plus précis, par une estimation de la probabilité de présence du signal à chaque niveau d’amplitude [E 1 611]. Le PAR peut ainsi varier de quelques dixièmes de dB (QPSK, une seule porteuse) à plus d’une dizaine de dB (OFDM).
HAUT DE PAGE4.2 Linéarité d’un SSPA
Un amplificateur cesse d’être...
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BIBLIOGRAPHIE
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(5) - SZE (M.S.) - Physics of Semiconductors Devices (2nd Ed.). - Wiley (1981).
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(6) - GREBENNIKOV (A.), SOKAL (N.O.), FRANCO (M.J.) - Switchmode RF and Microwave Power Amplifiers. - Academic Press (2012).
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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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