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Techniques

Les amplificateurs de puissance RF partent à l’assaut des applications

Par Keith Benson, Analog Devices

Publication: 6 avril

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Les besoins croissants en vitesse de transmission et résolution, respectivement dans les domaines des télécommunications et des systèmes industriels, impliquent une hausse de la fréquence opérationnelle des appareils...
 

Bon nombre de ces systèmes fonctionnent dans un large spectre de fréquence, et l’augmentation des besoins en bande passante constitue une exigence courante des nouveaux designs. Dans un large éventail de systèmes de ce type, les concepteurs souhaitent utiliser une seule chaîne de signal couvrant l’ensemble des bandes de fréquence. Les avancées enregistrées dans la technologie microélectronique ont permis d’accroître les possibilités des amplificateurs de forte puissance et large bande. Jusqu’alors dominé par les tubes à ondes progressives (TWT), ce secteur a commencé à céder du terrain aux circuits intégrés grâce au nitrure de gallium (GaN), une technologie qui révolutionne l’industrie et permet de réaliser des circuits intégrés hyperfréquences monolithiques (MMIC — Monolithic Microwave Integrated Circuits) capables de générer plus d’1 W de puissance sur plusieurs décades de bande passante. Avec l’apparition des transistors en arséniure de gallium (AsGa) et en nitrure de gallium (GaN) dont la longueur de grille est plus courte, doublée de techniques de conception plus performantes, des circuits aptes à fonctionner confortablement à des fréquences d’ondes millimétriques deviennent disponibles, ouvrant la voie à de nouvelles applications difficilement envisageables il y a dix ans. Le présent article décrit brièvement l’état de la technologie des semiconducteurs qui rend de telles évolutions possibles, les problématiques de conception dont il convient de tenir compte pour atteindre des performances optimales, et des exemples d’amplificateurs de puissance large bande en arséniure de gallium et en nitrure de gallium qui démontrent la faisabilité des technologies actuelles.

De nombreux systèmes électroniques sans fil fonctionnent dans des plages de fréquence étendues. Dans le secteur militaire par exemple, les bandes radar varient entre quelques centaines de MHz et plusieurs GHz, et certains systèmes de guerre électronique ou contremesures électroniques doivent être opérationnels dans des bandes passantes extrêmement larges. Les menaces peuvent se présenter à de multiples fréquences, par exemple entre 1 MHz et 20 GHz, voire à des fréquences supérieures, de sorte qu’avec l’augmentation du nombre d’appareils électroniques fonctionnant à de telles fréquences, les besoins en systèmes de guerre électronique opérant à des fréquences supérieures vont s’accroître

En ce qui concerne le domaine des télécommunications, les stations de base évoluent entre 450 MHz et 3,5 GHz, ces appareils continuant de se développer à mesure que les besoins en bande passante augmentent. Les systèmes de communications par satellite fonctionnent essentiellement entre la bande C et la bande Ka. Pour être universellement acceptés, les instruments utilisés pour mesurer ces différents types de fonctions électroniques doivent être compatibles avec toutes les fréquences requises. Les ingénieurs système qui souhaitent concevoir des composants électroniques couvrant la totalité du spectre de fréquences sont par conséquent confrontés à de multiples défis, de sorte que la possibilité d’utiliser une seule et unique chaîne de signal pour couvrir toute la gamme de fréquences fait le bonheur de la plupart des ingénieurs système et des responsables des achats. L’utilisation d’une seule chaîne de signal pour couvrir toute la gamme de fréquences présente de nombreux avantages, parmi lesquels une conception simplifiée, des délais de mise sur le marché plus courts ou une nomenclature réduite. Mais chaque médaille a son revers : avec une chaîne de signal unique, le défi réside dans la dégradation des performances qui accompagne les solutions large bande par rapport aux solutions en bande étroite. Au coeur de ce défi se trouve l’amplificateur de puissance dont les performances sont généralement supérieures, tant en matière de consommation que de rendement, lorsqu’il est réglé sur une bande étroite

Filières GaAs, GaN, LDMOS, SiC, SiGe : avantages et inconvénients

Ces dernières années, les amplificateurs à tubes à ondes progressives (TWT) ont dominé l’électronique de forte puissance en étant utilisés comme étage d’amplification en sortie sur de nombreux systèmes. Cette technologie affiche de solides atouts, parmi lesquels une puissance pouvant atteindre plusieurs kW, un fonctionnement sur une, voire plusieurs octaves de bande passante, une haute efficacité en régime linéaire et une bonne stabilité en température. Parmi leurs inconvénients, citons une fiabilité médiocre à long terme, un faible rendement et une tension opérationnelle qui doit être très élevée — de l’ordre d’1 kV, parfois davantage. Compte tenu de leur fiabilité à long terme, les circuits intégrés à semiconducteurs suscitent un vif engouement depuis quelques années, à commencer par les composants en arséniure de gallium (AsGa). Dans la mesure du possible, de nombreux ingénieurs système combinent plusieurs circuits intégrés en AsGa pour délivrer une puissance de sortie élevée. Des entreprises entières doivent leur succès à la combinaison fructueuse de technologies. On dénombre plusieurs façons de combiner des technologies, telles que la combinaison spatiale, par groupe, etc. Mais ces méthodes souffrent du même problème de pertes et les concepteurs doivent éviter d’y recourir. Cette situation nous incite à utiliser des composants de forte puissance pour commencer un nouveau projet. Pour doper la puissance RF d’un amplificateur de puissance, la solution la plus simple consiste à augmenter la tension, ce qui rend les transistors au nitrure de gallium (GaN) particulièrement attrayants. La comparaison des différentes technologies de fabrication de semiconducteurs montre comment la puissance augmente généralement avec la tension de fonctionnement de la technologie microélectronique employée. La filière silicium-germanium (SiGe) utilise une tension de fonctionnement relativement basse (de 2 à 3 V), mais ses atouts en matière d’intégration en font une option très intéressante. Pendant de nombreuses années, l’AsGa a été largement utilisé pour les amplificateurs de puissance hyperfréquences avec des tensions de fonctionnement comprises entre 5 et 7 V. La technologie LDMOS silicium fonctionnant sous 28 V a longtemps fait les beaux jours de l’industrie des télécommunications, mais elle est essentiellement performante en dessous de 4 GHz, ce qui l’écarte des applications à large bande. L’émergence de la technologie GaN opérant entre 28 et 50 V sur un substrat à faibles pertes et haute conductivité thermique comme le carbure de silicium (SiC) a ouvert de nouvelles opportunités. Aujourd’hui, la technologie GaN sur substrat en silicium fonctionne uniquement au-dessous de 6 GHz. Les pertes RF associées au substrat et sa conductivité thermique inférieure à celle du carbure de silicium compromettent le gain, le rendement et la consommation lorsque la fréquence augmente. La Figure 1 compare les différentes technologies de semiconducteurs.

L’émergence de la technologie GaN a amené les industriels à délaisser les amplificateurs à ondes progressives (TWT) au profit des amplificateurs en nitrure de gallium (GaN) utilisés comme étages de sortie dans différents systèmes. Dans bon nombre de ces systèmes, l’amplificateur de commande est encore réalisé en AsGa, dans la mesure où cette technologie bien connue continue d’être perfectionnée. Ensuite, nous examinerons comment utiliser la conception des circuits pour extraire le maximum de puissance, de bande passante et d’efficacité de ces amplificateurs de puissance large bande. Il ne fait aucun doute que les designs en nitrure de gallium (GaN) sont capables de délivrer des puissances de sortie supérieures à leurs homologues en AsGa, les conditions de conception étant globalement identiques.

Considérations de conception

Au moment de lancer un projet, les concepteurs de circuits intégrés doivent envisager de multiples paramètres et topologies afin d’en optimiser la consommation, l’efficacité et la bande passante. Également connu sous le nom d’amplificateur « en cascade », l’amplificateur multi-étages à source commune et transistors est le type d’amplificateur monolithique le plus couramment utilisé. Dans cette configuration, le gain est multiplié à chaque étage, ce qui produit un gain élevé et permet d’accroître la puissance RF en augmentant la taille des transistors de sortie. Le nitrure de gallium apporte des avantages à ce niveau, car il simplifie considérablement les circuits de couplage en sortie, réduisant les pertes et améliorant l’efficacité tout en réduisant la taille des puces (voir Figure 2). Cette approche permet d’obtenir des largeurs de bande supérieures et d’améliorer les performances. Autre point fort, certes moins évident, l’utilisation du nitrure de gallium aide le concepteur à atteindre un niveau de puissance RF donné, par exemple 4 W. La taille des transistors sera inférieure, ce qui augmente le gain par étage. Le nombre d’étages par conception sera moins élevé et, au bout du compte, le rendement sera supérieur. Le défi inhérent à cette technique d’amplification en cascade est le suivant : il est difficile d’obtenir des largeurs de bande sur une octave sans compromettre de façon significative la puissance et l’efficacité, même avec l’aide de la technologie GaN.

Coupleur de Lange

Pour réaliser un projet à large bande passante, l’une des possibilités consiste à mettre en oeuvre une conception équilibrée avec des coupleurs de Lange au niveau de l’entrée et de la sortie RF, comme le montre la Figure 3. Dans ce cas, les pertes par réflexion dépendent en fait de la conception du coupleur, dans la mesure où il est plus simple d’optimiser la réponse en gain et en puissance dans la plage de fréquence sans qu’il soit nécessaire d’optimiser les pertes par réflexion. Même avec des coupleurs de Lange, il devient plus difficile d’obtenir des largeurs de bande sur une octave, mais les pertes par réflexion sont intéressantes pour ce type de conception.

Amplificateurs distribués

Les amplificateurs de puissance distribués représentés en Figure 4 méritent également d’être étudiés. Ce type d’amplificateur de puissance donne toute sa mesure en incorporant les effets parasites des transistors dans les réseaux d’adaptation (matching networks) entre les composants. Les capacités d’entrée et de sortie de l’appareil peuvent être associées combinées avec respectivement l’inductance des lignes de grille et de drain afin de rendre les lignes de transmission virtuellement transparentes, à l’exclusion des pertes sur la ligne de transmission.

Ainsi, le gain de l’amplificateur est uniquement limité par la transconductance du composant, et non par les interférences capacitives associées. Ce phénomène se produit seulement si le signal qui circule le long de la ligne de grille est en phase avec le signal qui emprunte la ligne de drain, de sorte que la tension de sortie de chaque transistor s’ajoute en phase avec la sortie des transistors précédents. Le signal qui progresse vers la sortie interférera de manière « constructive », de telle sorte que le signal augmentera le long de la ligne de drain. Toute onde inverse interférera de façon « destructrice », ces signaux n’étant pas en phase. L’extrémité de la ligne de grille est incluse pour absorber tous les signaux qui ne sont pas couplés aux grilles des transistors. L’extrémité de la ligne de drain est incluse pour absorber les ondes progressives inverses qui pourraient interférer de façon destructrice avec le signal de sortie et réduire les pertes par réflexion aux basses fréquences. En conséquence, plusieurs décades de bande passante peuvent être réalisées entre quelques kHz et plusieurs GHz. Cette topologie est populaire lorsque plusieurs octaves de bande passante sont nécessaires. Parmi les avantages intéressants, citons un gain uniforme, de bonnes pertes par réflexion, une puissance élevée, etc.

L’un des défis posés par les amplificateurs distribués réside dans le fait que la puissance est dictée par la tension appliquée. Faute de capacité d’accord en bande étroite, une impédance d’environ 50 Ω est appliquée au transistor. Selon l’équation 1 qui donne la puissance de sortie moyenne de l’amplificateur, la résistance de charge optimale RL est de 50 Ω. Par conséquent, la puissance de sortie qui peut être atteinte est fixée par la tension appliquée à l’amplificateur, de telle sorte que si la puissance de sortie doit augmenter, la tension appliquée à l’amplificateur devra elle aussi augmenter.

C’est dans ce contexte que le nitrure de gallium devient très utile, car il permet de passer rapidement à une tension d’alimentation de 28 V au lieu de 5 V avec l’AsGa, la puissance atteignable passant pour sa part de 0,25 à presque 8 W par simple migration vers la technologie GaN. D’autres considérations entrent en ligne de compte, à savoir la longueur des grilles dans la filière disponible en nitrure de gallium, ainsi que la possibilité d’atteindre le gain requis à l’extrémité élevée de la bande de fréquence. Avec le temps, les filières en nitrure de gallium disponibles sur le marché sont de plus en plus nombreuses.

Sur les amplificateurs distribués, la résistance RL fixe (50 Ω) n’est pas la même que sur les amplificateurs en cascade où la valeur de résistance présentée au transistor peut être modifiée au moyen de réseaux d’adaptation afin d’optimiser la puissance délivrée par l’amplificateur. L’optimisation de la valeur de la résistance présentée aux transistors au moyen d’amplificateurs en cascade présente un avantage, dans la mesure où elle permet d’améliorer la puissance RF. En théorie, il est possible de continuer d’augmenter la taille des transistors pour accroître la puissance RF, mais cette approche se heurte à des limites pratiques telles que la complexité, la taille des puces ou les pertes de coupage. Les réseaux d’adaptation tendent également à limiter la largeur de bande, dans la mesure où ils peuvent difficilement fournir une impédance optimale à des fréquences larges. Les amplificateurs de puissance distribués comportent uniquement des lignes de transmission dont le rôle est de faire en sorte que les signaux interfèrent de manière constructive le long de l’amplificateur, plutôt que des réseaux d’adaptation. D’autres techniques permettent d’améliorer la puissance des amplificateurs distribués, telles que l’utilisation d’une topologie d’amplificateur cascode pour augmenter la tension d’alimentation appliquée à l’amplificateur.

Résultats

Nous avons démontré que différentes techniques et technologies microélectroniques permettent, moyennant certains compromis, de combiner de façon optimale puissance, efficacité et largeur de bande. Chacune de ces topologies et technologies trouvera probablement une utilité dans le monde des semiconducteurs, car toutes présentent des avantages qui justifient leur existence. Nous allons à présent nous arrêter sur quelques résultats qui montrent comment ces technologies permettent d’atteindre des niveaux de puissance, d’efficacité et de bande passante élevés.

Capacités des produits d’ADI

Examinons l’amplificateur de puissance distribué réalisé en AsGa et fonctionnant du continu à 30 GHz proposé par Analog Devices sous la référence HMC994A. Ce composant est intéressant, car il couvre plusieurs décades de bande passante, un large éventail d’applications, et peut atteindre un haut niveau de puissance et d’efficacité. Le rendement est illustré en Figure 5. Cette illustration représente une puissance de sortie saturée du MHz à 30 GHz avec une puissance de plus d’1 W et un rendement en puissance ajoutée (PAE) nominal de 25 %. Cette référence présente également de solides performances en interception du troisième ordre (IP3), à savoir 38 dBm (nominal). De tels résultats montrent que des conceptions en AsGa permettent d’atteindre un rendement proche de ce qu’autorisent de nombreux types d’amplificateurs de puissance en bande étroite. Compte tenu de la pente de gain qui devient positive avec la fréquence, du rendement en puissance ajoutée (PAE) élevé, des performances de puissance en large bande et de faibles pertes de désadaptation, le HMC994A représente un produit intéressant.

Il est également intéressant de voir ce qu’apporte la technologie GaN. Analog Devices propose sous la référence HMC8205BF10 un produit standard en GaN qui combine un haut niveau de puissance, de rendement et de bande passante. Cet ampli de puissance alimenté sous 50 V délivre une puissance RF de 35 W pour un rendement nominal de 35 % avec un gain de 20 dB couvrant plus d’une décade de bande passante. Dans ce cas, un unique

circuit intégré peut délivrer environ 10 fois plus de puissance que des solutions comparables en arséniure de gallium. Ces dernières années, un système complexe combinant des circuits en AsGa aurait été nécessaire, sans pour autant atteindre un rendement comparable. Ce composant montre ce que permet d’obtenir la technologie GaN en couvrant des bandes passantes étendues et en offrant une puissance et un rendement élevés (voir Figure 6). Monté en boîtier à fixation par brides capable de supporter les signaux à ondes entretenues (CW) qui caractérisent de nombreuses applications militaires, le HMC8205BF10 témoigne par ailleurs des progrès accomplis dans le domaine du conditionnement de circuits électroniques de haute puissance.

Résumé

L’émergence de nouveaux matériaux semiconducteurs tels que le nitrure de gallium (GaN) offre de nouvelles possibilités pour atteindre des niveaux de puissance plus élevés tout en couvrant des bandes passantes. La plage de fréquence des circuits en AsGa à longueur de grille plus courte a été portée de 20 à 40 GHz, et au-delà. Dans la littérature technique, la fiabilité de ces composants dépasse le million d’heures, ce qui permet de les utiliser dans de multiples systèmes électroniques modernes. Selon nos prévisions, les tendances favorables à l’augmentation des fréquences et aux bandes passantes plus larges devraient se poursuivre.

http://www.analog.com

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