Amplificateur de puissance

Les émetteurs radio-fréquence utilisent des amplificateurs de puissance pour amplifier le signal à transmettre.

Modèle d'Antenne

L'antenne qui représente une charge pour le circuit peut être considérée comme une résistance pure (cas idéal) que l'on nomera R_A. Cette résistance modélise l'absorbtion de l'antenne en terme de puissance P:

avec I : courant dissipé dans l'antenne

La plupart des antennes de téléphones portables sont des monopoles résonant dont la résistance Ra varie de 20Ω (Largeur du plan de masse W=0) à 36Ω (plan de masse de largeur W, infinie). Le monopole rayonne principalement dans les directions X et Y. La longueur de l'antenne est souvent choisie proche de λ/4 (λ : longueur d'onde du signal transmis), pour un rayonnement optimal.

Principe

La plupart des amplificateurs de puissance sont basés sur un simple MOS chargé par une inductance de "chock" L_RFC. La capacité C_L permet de créer un filtre passe bande. La puissance est délivrée à la charge R_L (~ 50Ω) résistance de l'antenne monopole.

La fréquence de résonance transmise à la charge est donnée par l'equation suivante:

Exemple:
L 'amplificateur de puissance utilisé pour "Bluetooth" résonne à 2.4GHz ce qui implique une inductance de 3nH et sa capacité correspondante de 1.5pF.

Le MOS de l'amplificateur de puissance

Les transistors MOS utilisés dans les amplificateurs de puissance sont capables de conduire de forts courants afin de délivrer à la charge une puissance importante. Ces MOS ont une largeur de canal inhabituelle de l'ordre de 1000µm. L'effet de résonance de l'inductance de "chock" induit une importante fluctuation de tension sur le nœud Vout.

Pour concevoir un MOS avec une largeur de canal aussi importante, on connecte plusieurs MOS de plus petite taille en parallèle. Dans Microwind cela se fait en fixant le nombre de MOS en parallèle dans le menu "Layout Generator" en renseignant le champ "Nbr of fingers".

Le layout généré par Microwind est complété par un anneau de polarisation à VSS et un contact entre le metal2 et la grille et entre metal2 et le drain. Nous pouvons voir sur la figure un MOS conduisant 160mA. Ce MOS de taille très importante doit être placé très près du plot de sortie afin de limiter la résistance série et la capacité parasite. Toutes les connexions du MOS doivent supporter un grand nombre de contacts pour pouvoir véhiculer de forts courants.

Rendement de l'amplificateur de puissance

Une des caractéristiques les plus importantes des amplificateurs de puissance est son efficacité, appelée aussi rendement de drain et donnée par l'équation suivante:

	(Equ. 12-6)
PRF_out= Puissance RF de la sortie PDC= Puissance totale delivrée par l'alimentation

Ce rendement, donnée en %, est généralement compris entre 25 et 50%.

Afin de simuler ce rendement nous modélisons l'antenne par une résistance RL connectée à l'alimentation. Cette connexion inhabituelle permet d'éviter la consommation de courant statique qui apparaîtrait en cas de connexion de RL vers la masse.

Par défault, la puissance P_DC est calculée à chaque simulation et peut être lue en bas à droite de la fenêtre de simulation "Current and Voltage vs. time" of Microwind. Dans cette fenêtre on choisit le courant qui traverse la résistance de 50Ω. A la fin de la simulation, on peut aussi lire le rendement de puissance.

La simulation de l'amplificateur de puissance ci-dessus donne un rendement de 2,5% ce qui est faible. Cela correspond à une perte d'energie de 97,5% dans le circuit.

Pour améliorer le rendement on peut :

• augmenter la taille du MOS
• modifier l'amplitude du signal d'entrée
• modifier l'offset de la sinusoïde d'entrée

Amplificateur de puissance Class A

La distinction entre les classes A, B, AB etc... provient principalement de la polarisation du transistor. En classe A, le transistor est toujours passant. Un exemple d'amplificateur de puissance de classe A est donné ici. On utilise un MOS de plus grande taille afin d'améliorer le rendement en puissance.

Pour simuler l'amplificateur, on utilise une sinusoïde d'entrée de 0.4V d'amplitude avec un offset de 1.3V. Grâce à la commande "Simulate on Layout" on peut voir sur les caractéristiques IDS(VDS) que VGS varie entre 0.9V et 1.7V et que IDS fluctue entre 20mA et 70mA de transistor MOS est toujours en conduction. L'avantage d'un amplificateur class A est sa linéairité (sortie toujours sinusoïdale). Par contre ce type d'amplificateur n'a pas un rendement exceptionnel.

Amplificateur de puissance Class B

Un amplificateur de Class B ne conduit que pendant une demi période du signal d'entrée. Pendant la 2ème demi période le MOS est coupé et le résonnateur LC transmet la puissance à la charge de 50Ω. Le rendement atteint les 20%. Le principal inconvénient est la distortion du signal de sortie. La classe intermédiaire AB correspond à une zone de conduction entre un demi cycle et un cycle complet. La distortion apparaît dans la simulation du signal de sortie, par une déformation de la sinusoïde.

Autres Classes

Pour la classe C, le MOS conduit très peu (moins d'une demi période du signal d'entrée). L'augmentation du rendement se fait au dépend de la puissance de sortie délivrée à la charge. La figure suivante donne le schéma d'un amplificateur de Class E. Un filtre passe bande a été ajouté en sortie (LHF, CHF) afin de réduire l'amplitude des harmoniques parasites dues à la non linéarité de l'amplificateur et de transmettre la seule fréquences désirée (comme le 2.45GHz dans Bluetooth par exemple).

L'étage de puissance est couplé au résonnateur à travers une capacité de couplage Cc. Cc permet de transmettre l'énergie à la charge sans offset entre l'alimentation et la charge. Le drain du MOS peut atteindre une tension importante lorsque le MOS est bloqué. Le rendement théorique peut atteindre 50%.

---