Circuits et systèmes RF \u0026 micro-ondes - Chapitre 4 RF/Microwave circuits and systems - Chapter 4

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ELE4501 : Circuits et systèmes RF & micro-ondes

Chapitre 4

Amplificateurs

1

Plan

Introduction

Classes des amplificateurs

Efficacité

Définition des gains d’un amplificateur

Unilatéralité

Stabilité

Bruit

Adaptation et conception

LNA

Amplificateurs de puissance ELE4501 2 © École Polytechnique de Montréal

K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

ELE4501 3 © École Polytechnique de Montréal

K. Wu, H. Boutayeb

Schéma bloc simplifié d’un système émetteur/récepteur sans-fil

Architecture générale d’un émetteur/récepteur


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Évolution de la technologie pour la production de circuits micro-ondes miniaturisés


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Microwave Integrated Circuits (MICs)

Les circuits sont conçus sur des substrats d’alumine de 0.025 pouce d’épaisseur. Les composant discrets sont ensuite installées sur ceux-ci.


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMICs)

Substrats d’alumine de 0.01 pouce d’épaisseur. Les résistances et les condensateurs font partie du procédé et n’ont pas à être ajoutés


K. Wu, H. Boutayeb


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

MMIC - Exemple: Amplificateur de puissance MMIC en bande X (8 transistors à hétérojonctions avec des combineurs/diviseurs)


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Amplificateur à rétroaction GaAs MMIC

TRANSMISSION LINE

TRANSMISSION LINE

GROUND

TRANSISTOR

TOPOLOGY GATE BIAS

DRAIN BIAS


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Miniature Hybrid Microwave Integrated Circuits (MHMICs)


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

C’est une technologie qui est intermédiaire entre MIC et MMIC.

Tous les éléments passifs sont produits au cours des différentes étapes de fabrication, semblables à MMIC.

Les dispositifs actifs sont ajoutés à la fin de l'assemblage, en utilisant des techniques de MIC.

La principale différence entre le MHMIC et MIC est l'utilisation de trous métallisés, des ponts aériens, et des couches diélectriques.

Avantages: réduction significative des coûts d'assemblage. MHMIC permet au concepteur le choix de dispositif actif et permet la miniaturisation des circuits, tout en réduisant le nombre de composants ajoutés.

Module d’amplificateur hybride à 1GHz

INPUT OUTPUT

D G S

S


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Le choix du substrat est généralement déterminée par l'application finale.

Un des premiers exemples de l'application de MHMIC est le développement de modules amplificateurs équilibrés pour 8-18 GHz.

Miniature Hybrid Microwave Integrated Circuits (MHMICs)

Composant et technologies du circuit selon les bandes de fréquence

Introduction


K. Wu, H. Boutayeb

Premier étage d’un amplificateur de puissance pour les téléphones cellulaires à 2 GHz


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Masque d’un amplificateur de puissance en circuit imprimé


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

8–10 GHz Microwave Monolithic Integrated Circuit


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Caractéristiques des technologies de transistors:


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Conception RF/micro-ondes


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Schémas équivalents petit signal(BJT/FET)


K. Wu, H. Boutayeb

BJT

FET

Introduction

Circuit équivalent pour le bruit (ex: FET)

Bruits de grenaille et bruits thermiques


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Représentation d’un réseau à deux-ports bruité

Forme générique

Form d’impédance form

Forme d’admittance


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Le bruit est présenté comme source extérieur

Facteur et figure de bruit

Représentation en paramètres S d’un amplificateur


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Amplificateur RF avec circuit d’alimentation


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Représentation générale d’un amplificateur


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Avec rétroaction:

Paramètres de conception d’un récepteur

Facteur de bruit

i

i

o

o

S

NNF

S

N

10 1Te

NF LOGTa

Température ambiante

Température équivalente de bruit

2 1 3 1 4 11 ...

1 1 2 1 2 3

NF NF NFNFt NF

G G G G G G


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

La sensibilité

Puissance minimum que l’on doit appliquer à l’entrée pour obtenir, à la sortie, un rapport signal/bruit donné.

)/log(10)log(10)log(10 ooamb NSBNFkT

Bruit de fond dans une bande de 1Hz

Facteur de bruit

Largeur de bande

= -174dBm à 290oK

Rapport signal sur bruit à la sortie



K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Point d’interception du troisième ordre

1

RIP P dBm

N



K. Wu, H. Boutayeb

Introduction




K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

G1

IP31

G2

IP32

G3

IP33

Gn

IP3n

G1

IP31

G2

IP32

G3

IP33

Gn

IP3n


n

ntot

IP

GGG

IP

GG

IP

G

IP

IP

3333

1

13

121

3

21

2

1

1



K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Plage dynamique Différence entre le niveau à l’entrée produisant une compression de gain de 1dB et le niveau minimum à l’entrée détectable à la sortie.

111 / 10S dBm MHz LOG B NF

1Pi Po G

PD Pi S

en MHz

= Sensibility + 3dB, avec So/No=1

Puissance de sortie pour une compression de gain de 1 dB



K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Plage dynamique



K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Préoccupations majeures dans la conception des amplificateurs

Efficacité

Distorsion In-Band: Intermodulation Bruit Erreurs bits (BER) Out-of-Band: Rétablissement spectrale (spectral regrowth) Effet sur les autres radios


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Single-Ended Amplifier


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Single-Ended Amplifier Inductive Biasing


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Amplificateur différentiel


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Amplificateur pseudo differentiel


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Amplificateur differentiel: Common Mode Rejection Ratio


K. Wu, H. Boutayeb

Introduction

Classes d’amplificateurs

Classe A classique

Droite de charge DC


K. Wu, H. Boutayeb

Transistor à jonction bipolaire

Amplificateur controllé en courant


K. Wu, H. Boutayeb


Transistor à effet de champs

Amplificateur controllé en tension


K. Wu, H. Boutayeb


Classes A à H A, AB, C sont des amplificateurs linéaires: droite de charge AC= droite de charge DC (quasiment) D+: amplifacteurs à commutation


K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb


Classes A AB B C


K. Wu, H. Boutayeb


Classe A : La totalité du signal d’entrée (100%) est utilisée (angle de conduction a = 360°).

Classe B : La moitié du signal (50%) est utilisée (a = 180°).

Classe AB : Plus de la moitié mais pas la totalité du signal (50–100%) est utilisée (180° < a < 360°).

Classe C: Moins de la moitié (0–50%) du signal est utilisée (0 < a < 180°).


K. Wu, H. Boutayeb


Amplificateur Classe A (faible rendement)

Amplificateur Classe B (meilleur rendement, plus de distorsion)

Classe B Push Pull

Amplificateur Classe C (fort rendement, distorsion importante)


K. Wu, H. Boutayeb


Formes d’ondes


K. Wu, H. Boutayeb


Amplificateurs à commutation, switching amplifiers


K. Wu, H. Boutayeb


Exemple: étude d’un amplificateur de classe A


K. Wu, H. Boutayeb




K. Wu, H. Boutayeb




K. Wu, H. Boutayeb





K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb




K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



Efficacité

Total power added efficiency ou transmit chain efficiency


K. Wu, H. Boutayeb

Efficacité

Power-Added Efficiency (PAE)


K. Wu, H. Boutayeb

Efficacité

Efficiency


K. Wu, H. Boutayeb

Si


K. Wu, H. Boutayeb

Efficacité

Efficacité

Exemple: determiner l’efficacité d’un amplificateur de classe A FET ayant la courbe caracteristique suivante:


K. Wu, H. Boutayeb

Efficacité


K. Wu, H. Boutayeb

Efficacité

Efficacité maximale selon la classe ou selon le type de modulation


K. Wu, H. Boutayeb


DGP EP DSP CP

S C11S

22S

Transistor

2221

1211

SS

SSRéseau

d’Adaptation d’entrée

Réseau

d’Adaptation de sortie

oZ

oZgV

EPDGPCPDSP

sb 2b

1b 2a

1a

11S 22S

21S

12S

S C

Puissance disponible du générateur

Puissance d’entrée dans le réseau

Puissance disponible a la sortie du réseau

Puissance délivrée par la charge


K. Wu, H. Boutayeb

C22

C21121111

S1

SSSS

S11

S21122222

S1

SSSS

Coefficient de réflexion à l’entrée du réseau lorsque sa sortie est terminée dans c

Coefficient de réflexion à la sortie du réseau lorsque sa entrée est terminée dans S



K. Wu, H. Boutayeb

Gain Opérant

Gain Opérant = Puissance délivrée a la charge (PC)

Puissance d’entrée (PE)

2

C22

2

C2

212

11

PS1

1S

S1

1G



K. Wu, H. Boutayeb

Gain Opérant : démonstration



K. Wu, H. Boutayeb

Gain Opérant : démonstration



K. Wu, H. Boutayeb

Gain Disponible

Gain Disponible (Available) = Puissance disponible a la sortie (PDS)

Puissance disponible au générateur(PDG)

2

22

2

212

S11

2

SA

S1

1S

S1

1G



K. Wu, H. Boutayeb

Gain transducique

Gain transducique= Puissance délivrée a la charge (PC)

Puissance disponible au générateur (PDG)

2

C22

2

C2

212

S11

2

S

2

C22

2

C2

212

S11

2

ST

S1

1S

S1

1

S1

1S

S1

1G



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb


K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb


p

2

21P gSG 2C

22

22

2

C

2

11

2

Cp

Ce2SS1

1g

11222 SSC

22

22p

2p

Sg1

CgCentre

22

22p

2p

2

2112p2112

Sg1

gSSgSSK21Rayon

1KKS

SG 2

12

21MAX,P

1KKSS

1g 2

2112MAX,p

Cercles de gain constant: gain opérant


K. Wu, H. Boutayeb


12

12

21

, KKS

SG MAXP

12

21

1,

S

SGG

KMAXPMSG

1K

Gain maximum stable GMSG



K. Wu, H. Boutayeb

2112

22

22

2

11

2

1

SS

SSK

Cercles de gain constant: gain opérant



K. Wu, H. Boutayeb

A

2

21A gSG

1S

22

11

2

S

2

22

2

SA

Ce2SS1

1g

22111 SSC

22

11A

1A

Sg1

CgCentre

2 2

12 21 12 21

2 2

11

1 2

1

A A

A

K S S g S S gRayon

g S

Cercles de gain constant: gain disponible


K. Wu, H. Boutayeb


Gain

Transducique

unilatéral 2

C22

2

C2

212

S11

2

S

0STTUS1

1S

S1

1GG

12

SG

CGoG

2

11

SSMAX,SS1

1GG

11S

2

22

SCMAX,CS1

1GG

22C

2

22

2

212

11

MAX,TUS1

1S

S1

1G

Unilatéralité


K. Wu, H. Boutayeb

2MAX,TU

T

2U1

1

G

G

U1

1

Figure

d’unilateralité

2

22

2

11

21122211

S1S1

SSSSU

Unilatéralité


K. Wu, H. Boutayeb

111

S 1C

C22

C21121111

S1

SSSS

Les valeurs de qui produisent sont sur un cercle de rayon et de centre sur l’abaque de Smith:

C 111

S

Cr CC

22

22

2112C

S

SSr

22

22

1122C

S

SSC

21122211 SSSS

Stabilité


K. Wu, H. Boutayeb

Cercle de stabilité en sortie


K. Wu, H. Boutayeb

Cercle de stabilité en sortie

Stabilité

21122211 SSSS

1S122

S

22

11

2112S

S

SSr

22

11

2211S

S

SSC

Les valeurs de qui produisent sont sur un cercle de rayon et de centre sur l’abaque de Smith:

S 122

S

Sr SC

S11

S21122222

S1

SSSS

Cercle de stabilité en entrée

Stabilité


K. Wu, H. Boutayeb


K. Wu, H. Boutayeb

Cercle de stabilité en entrée

Stabilité

01

12

1

22

22

2

111

2112

22

22

2

11

SSB

SS

SSK

1SSSS

1K

21122211

Condition de stabilité inconditionnelle


K. Wu, H. Boutayeb

Stabilité

Condition de stabilité inconditionnelle: autre méthode


K. Wu, H. Boutayeb

Stabilité

Stabilité


K. Wu, H. Boutayeb


K. Wu, H. Boutayeb

Stabilité

Stabilisation d’un transistor – Exemple Connaissant les cercles de stabilités en entrée et sortie, comment stabiliser le transistor?


K. Wu, H. Boutayeb

Stabilité

Stabilisation d’un transistor – Exemple Les possibilités de stabilisation


K. Wu, H. Boutayeb

Stabilité

aeAS NNGN

Bruit a la sortie

Bruit du au sources exterieurs

Gain disponible de l’amplificateur

Bruit additionelle dues au composants de l’amplificateur

Bruit


K. Wu, H. Boutayeb

BTkN oe

BGTkN Aea

S

S

E

E

N

S

N

S

Fo

e

Ao

aAo

T

T1

BGkT

NBGkTF


K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

aA11 NBGkTN

aA22 NBGkTN

Facteur de bruit: méthode de mesure


K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

12

12A

TTkB

NNG

1212

11a NN

TT

TNN

12

1

1

2

NNN

1T

TF

Facteur de bruit: méthode de mesure


K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

Aooa BGkTBkTN

AG

1F

1FQuadripole sans perte

Facteur de bruit: quadripôle passif


K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

2

mGG

nmin YY

G

rFF

o

nn

Z

Rr

Admittance du générateur

conductance du générateur

valeur minimum du facteur de bruit

Admittance du générateur qui correspond à

minFF

résistance de bruit: quantifie la sensibilité du facteur de bruit à la variation de l'admittance du générateur autour de la valeur optimum

Le facteur de bruit d'un quadripôle actif change en fonction de l'impédance du générateur

Facteur de bruit: quadripôle actif


K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

2

G

2

m

2

mGonmin

11YR4FF

Go

GoG

YY

YY

mo

mom

YY

YY

oo

Z

1Y

Afin de mesurer , on place des synthonisateurs à faibles pertes à l'entrée et à la sortie du transistor. Le synthonisateur d'entrée est accordé de façon à obtenir le minimum de bruit, alors que le synthonisateur de sortie est synthonisé de façon à maximiser le gain.

minF

Le synthonisateur d'entrée est déconnecté puis mesuré sur un analyseur de réseau de façon à déterminer

m



K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

Afin de trouver , le transistor est directement relié à la source à l'entrée sans le synthonisateur ( ) , et le facteur de bruit est mesurée. On calcule alors à partir de l'équation suivante:

nR0G 1F

nR

2

m

2

mmin1

on

4

1FF

Y

1R



K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

2

mGG

nmin,ee YY

G

RTT

ominmin,e T1FT

omin TN41F



K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

AN2A1Atot,A GGGG

1AN2A1A

N

2A1A

3

1A

21tot

GGG

1F

GG

1F

G

1FFF

1AN2A1A

eN

2A1A

3e

1A

2e1etot,e

GGG

T

GG

T

G

TTT

Facteur de bruit: cascade d’amplificateurs


K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

1A

2112

G

1FFF

2A

1221

G

1FFF

2112 FF

2A

2

1A

1

G

11

1F

G

11

1F

AG

11

1FM

Figure de

mérite


K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

1NA

2AA

N,totG

1F

G

1F

G

1FFF

A

N,totN

,tot

G

11

1F1Flim1F

1G

1GFM1F

A

A,tot

A

Gmin

min

G

11

1FM

A

Cascade d'amplificateurs identiques


K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

2

G

2

mG

on

2

mminii

1YR4

1FFN

minFFi

2i

2

mi2

i

2

i

mG

N1

1NN

N1

i

mF

N1C

22 1

1

i i m

F

i

N Nr

N

Cercles de facteur de bruit constant


K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

Cercles de facteur de bruit constant


K. Wu, H. Boutayeb


K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

Compromis entre le facteur de bruit et le gain associé


K. Wu, H. Boutayeb

Bruit

Le facteur de bruit d'un transistor atteint une valeur minimum pour une valeur particulière du coefficient de réflexion au générateur . L’adaptation d'un transistor au minimum de facteur de bruit ne corresponds pas nécessairement aux conditions d'adaptation pour le gain maximum. L'application d'une contre-réaction réactive peut améliorer le coefficient de réflexion à l'entrée en conservant la mesure de bruit minimum . Les cercles à bruit constant et les cercles de gain disponible permettent de sélectionner le meilleur compromis entre le gain et le bruit.

minF

m

minM

Bruit


K. Wu, H. Boutayeb

SS11

CS22

1

2

1

2

11

2

4

C

CBBMS

2

2

2

2

22

2

4

C

CBBMC

22

22

2

111 1 SSB 22111 SSC

22

11

2

222 1 SSB

11222 SSC

1KSigne - si et 0iB

Conditions d’adaptation simultanée sur les coefficients de réflexions de la source et

de la charge



K. Wu, H. Boutayeb


K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb


Small Signal Amplifier Design Procedure



K. Wu, H. Boutayeb

Small-Signal (Low-Noise) Amplifiers

Understand different types of amplifiers

Learn to design bias circuits for amplifiers

Design amplifiers with gain considerations

Design amplifiers with noise considerations

Design amplifiers with bandwidth considerations

Design balanced amplifiers

Design feedback amplifiers


K. Wu, H. Boutayeb


Large-Signal (Non-Linear) Amplifiers

Understand different types of amplifiers

Learn to design bias circuits for amplifiers

Measurement and Optimization Aspects

Distortion and Dynamic Range (DR) issues

Multi-stage and power combining techniques


K. Wu, H. Boutayeb


Méthodes de polarisation d’un transistor



K. Wu, H. Boutayeb

- Sélection du transistor, - Choix du principe d'adaptation et de la topologie du circuit, - Choix de la technologies de fabrication.

Trois étapes inter-liées qui nécessitent des compromis :

Conception d’amplificateurs à large bande


K. Wu, H. Boutayeb


Techniques d’adaptation d’impédance


K. Wu, H. Boutayeb


Amplificateurs Multiplicatifs

Amplificateurs Additifs

Principe d'adaptation

Réactif

Contre-réaction

Réseaux avec pertes

Actif

Distribué

Largeur de bande

Étroite à Large

Multi-octave

Gain par étage

Haut à faible selon de la largeur de bande

faible

faible

Très faible à faible

faible

Facteur de bruit

Très faible à faible

Moyen à élevé

Élevé

Moyen à élevé

Élevé

Adaptation d'entrée

Mauvaise

Passable à bonne

Passable à bonne

Très bonne

Bonne

Adaptation de sortie

Passable à faible

Bonne

Bonne

Très bonne

Bonne

Fréquence d'opération

1 à 60 GHz

0.1 à 18 GHz

0.1 à 18 GHz

0.1 à 10 GHz

1 à 40 GHz

Technologie

Hybride

Hybride ou monolithique

Hybride ou monolithique

Monolithique

Monolithique de préférence

Applications

Faible bruit bande passante, Haut gain à largeur de bande moyenne ou élevée

Passe-bas ou passe-bande à très grande largeur de bande

Passe-bas ou passe-bande à très grande largeur de bande

Passe-bas à très grande largeur de bande

Très grande largeur de bande



K. Wu, H. Boutayeb

Configurations d’amplificateurs


K. Wu, H. Boutayeb


Amplificateurs à deux étages

*1,INS

*1,OUTM,IN

*2,INM,OUT

*2,OUTL *1,INS

1,LPM,IN

*2,INM,OUT

2,LPL

1,OPTS

*1,OUTM,IN

2,OPTM,OUT

*2,OUTL

Gain élevé

Haute puissance

Faible bruit


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Amplificateurs à faible bruit, Low Noise Amplifiers (LNA)

Les amplificateurs LNA sont une classe d’amplificateurs

linéaires des récepteurs, à fort gain, ayant un bruit faible,

ayant une bonne linéarité, une impédance stable, et une

faible consommation de puissance.


K. Wu, H. Boutayeb

A Two-Stage Cascode CMOS LNA Architecture


K. Wu, H. Boutayeb




K. Wu, H. Boutayeb




K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb

Amplificateurs de puissance, Power Amplifiers (PA)

Les amplificateurs de puissance sont utilisés au dernier

étage d’un émetteur pour augmenter le niveau de

puissance rayonnée. Les considérations importantes sont

l’efficacité, la linéarité, le gain, l’intermodulation, ACPR,

et peak-to-average ratio


K. Wu, H. Boutayeb

Caractéristiques large signal en gain


K. Wu, H. Boutayeb


Adaptation d’impédance large signal


K. Wu, H. Boutayeb


Test Load-Pull


K. Wu, H. Boutayeb


Class B Push-Pull



K. Wu, H. Boutayeb

Class B Syntonisée


K. Wu, H. Boutayeb


Produit d’inter-modulation et point d’interception du troisième ordre


K. Wu, H. Boutayeb


Nonlinear Power Behavior



K. Wu, H. Boutayeb


K. Wu, H. Boutayeb


Power Amplifier Requirements for Various Cellular Phone Systems


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K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb



K. Wu, H. Boutayeb

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Circuits et systèmes RF \u0026 micro-ondes - Chapitre 4 RF/Microwave circuits and systems - Chapter 4