31558202 Amplificateur RF CMOS Puissance Classe C

Amplificateur RF CMOS,

Puissance classe C

République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université Abderrahmane Mira de Bejaia

Faculté De La Technologie

Département D’Electronique

Réaliser par : Promoteur:

KHIMA SOUFIANE ROUHA

** Année universitaire 2009-2010 **

Dédicace

A mes parents qui m’ont toujours soutenu durant toute ma formation

et à qui je dois rendre mes meilleurs respects et mes sincères

reconnaissances

A ma f.f. NABILA qui me soutient toujours

A mon frère ADEL qui n’a pas cessé de me soutenir tout le long de

ma vie estudiantine

A mes sœurs NADJETTE et SONIA qui n’ont pas cessé de me

conseiller et de me soutenir tout au long de ma vie estudiantine

A ma nièce EMILIE que j’aime beaucoup

A toute ma famille, que dieu la protège

A mes amis RABAH, BEKA, REDA…

A tous mes collègues de la promotion 2010

A tous ceux qui sont pour l’électronique

Je dédis ce travail

KHIMA SOUFIANE

Avant toute chose, l’honneur est le plaisir de remercier mes parents

reviennent à leur soutien moral et financier durant mes études.

Je tiens à remercier Monsieur ROUHA, pour avoir encadré mon Mini Projet et conseils tout au long de ce travail.

Que tous les professeurs qui ont contribués à ma formation trouvent ici

l’expression de notre vive amitié.

Que l’ensemble de jury soit remerc ié pour accepter de jury mon travail.

j remercie également touts personne ayant participé de prés ou de loin à

l’élaboration de ce travail.

A tous nous disons MERCI.

Remerciements

SOMMAIRE

Introduction Générale ......................................................................................................................... (01)

Chapitre I : L’Amplification de Puissance

Introduction ................................................................................................................................................. (02)

1. Classes de fonctionnement ....................................................................................................................... (02)

1.1. Le fonctionnement en classe A ............................................................................................................ (02)

1.2. Le fonctionnement en classe B ............................................................................................................. (02)

1.3. Le fonctionnement en classe AB .......................................................................................................... (03)

1.4. Le fonctionnement en classe C ............................................................................................................. (04)

1.5. Le fonctionnement en classe D ............................................................................................................. (04)

1.6. Le fonctionnement en classe E .............................................................................................................. (05)

2. Types de liaisons ...................................................................................................................................... (06)

3. Gamme de fréquences ............................................................................................................................. (07)

4. Les deux droites de charge ....................................................................................................................... (08)

4.1. La droite de charge DC ......................................................................................................................... (08)

4.2. La droite de charge AC ......................................................................................................................... (09)

4.3. Écrêtage des grands signaux ................................................................................................................. (11)

5. Critères de sélection d’une classe d’amplificateur ................................................................................... (11)

5.1. Le gain (en tension, en puissance) ........................................................................................................ (11)

5.2. La puissance de sortie ........................................................................................................................... (12)

5.3. La puissance dissipée par le transistor .................................................................................................. (12)

5.4. Le rendement ......................................................................................................................................... (12)

6. Amplificateur classe C ............................................................................................................................. (12)

6.1. Fréquence de résonance ........................................................................................................................ (12)

6.2. Droites de charge .................................................................................................................................. (13)

6.3. Écrêtage DC du signal d’entrée ............................................................................................................ (14)

6.4. Filtrage des harmoniques ...................................................................................................................... (15)

6.5. Dépannage ............................................................................................................................................. (15)

6.6. Formules de la classe C ......................................................................................................................... (15)

6.6.1. Formules générales ............................................................................................................................ (15)

6.6.2. La bande passante .............................................................................................................................. (16)

6.6.3. Résistance de collecteur AC .............................................................................................................. (17)

6.6.4. L e coefficient de remplissage ........................................................................................................... (18)

6.6.5. L’angle de conduction ........................................................................................................................ (19)

6.6.6. Puissance dissipée par le transistor .................................................................................................... (19)

6.6.7. Rendement de l’étage ......................................................................................................................... (20)

Conclusion ................................................................................................................................................... (21)

Chapitre II : La Radiofréquence

Introduction ................................................................................................................................................. (22)

1. Classification des ondes .......................................................................................................................... (22)

2. Longueur d’onde ..................................................................................................................................... (22)

2.1. Ondes longues : 30 KHz à 300 KHz (L.F) ........................................................................................... (23)

2.2. Ondes moyennes : 300 KHz à 3 MHz (bande hectométrique) ............................................................. (23)

2.3. Ondes courtes : 3MHz à 30 MHz (bande décamétrique) ...................................................................... (24)

2.4. Ondes de très haute fréquence : 30 MHz à 300 MHz (V.H.F.) ............................................................ (24)

2.5. Ondes ultra haute fréquence : 300 MHz à 3 GHz (U.H.F.) .................................................................. (25)

2.6. Ondes supra haute fréquence : 3 GHz à 30 GHz (S.H.F.) .................................................................... (26)

2.7. Ondes d’extra haute fréquence : 30 GHz à 300 GHz (E.H.F.) ............................................................. (27)

3. Aspects généraux ..................................................................................................................................... (28)

4. Spectre radiofréquence ............................................................................................................................. (28)

5. L'attribution des fréquences ..................................................................................................................... (29)

5.1. Classification des ondes hertziennes ..................................................................................................... (30)

6. Les utilisations du spectre radioélectrique ............................................................................................... (30)

7. Bilan de liaison ......................................................................................................................................... (30)

Conclusion .................................................................................................................................................. (33)

Chapitre III : Caractérisation d’un Amplificateur Radiofréquence

Introduction .................................................................................................................................................. (34)

1. Les différents types d’amplificateurs dans une chaine d’émission-réception ......................................... (34)

2. Caractéristiques d’un amplificateur de puissance .................................................................................... (35)

2.1. Rendements d’un amplificateur ............................................................................................................ (35)

2.2. Critères de stabilité .............................................................................................................................. (37)

2.2.1. Résumé des conditions de stabilité .................................................................................................... (39)

2.3. Gain des amplificateurs ......................................................................................................................... (39)

2.4. Adaptation d’impédance ...................................................................................................................... (40)

2.5. Linéarité des amplificateurs RF ............................................................................................................ (42)

2.5.1. Distorsion dues aux éléments radiofréquences .................................................................................. (42)

2.5.1.1. Distorsion linéaire ........................................................................................................................... (42)

2.5.1.2. Distorsion non linéaire .................................................................................................................... (42)

3. Les technologies et les composants ......................................................................................................... (43)

3.1. La technologie CMOS RF .................................................................................................................... (43)

3.2 Circuits intégrés logiques CMOS .......................................................................................................... (43)

3.2.1 Le transistor MOS à canal n................................................................................................................. (44)

3.2.2 Le transistor MOS à canal P .............................................................................................................. (45)

3.2.3. Transistor CMOS ............................................................................................................................... (46)

4. Le choix de la classe C ............................................................................................................................. (46)

4.1. Utilisation de l'amplificateur classe C ................................................................................................... (47)

Conclusion ................................................................................................................................................... (47)

Conclusion Générale .................................................................................................................................. (48)

Bibliographie.

Liste des Figures

Figure 1.1 : le fonctionnement en classe A.................................................................................................. (02)

Figure 1.2 : le fonctionnement en classe B ................................................................................................. (03)

Figure 1.3 : le fonctionnement en classe AB .............................................................................................. (03)

Figure 1.4 : le fonctionnement en classe C ................................................................................................. (04)

Figure 1.5 : Amplificateur classe D ............................................................................................................ (05)

Figure1.5.a : La droite de charge de l’amplificateur classe D .................................................................... (05)

Figure 1.6.a : Amplificateur classe E .......................................................................................................... (06)

Figure 1.6.b :Fonctionnement de la classe E .............................................................................................. (06)

Figure 1.7.a : Type de liaison par capacité ................................................................................................. (07)

Figure 1.7.b : Type de liaison par transformateur ...................................................................................... (07)

Figure 1.7.c : Type de liaison Directe ......................................................................................................... (07)

Figure 1.8.a : Ampli RF accordable, liaison par condensateur ................................................................... (08)

Figure 1.8.b : Ampli RF accordable, liaison par transformateur ................................................................ (08)

Figure 1.9.a : Ampli polarisé par Diviseur de tension ................................................................................ (09)

Figure 1.9.b: Droite de charge DC .............................................................................................................. (09)

Figure 1.10.a : Circuit équivalent AC ....................................................................................................... (09)

Figure 1.10.b : Droite de charge AC ......................................................................................................... (09)

Figure 1.11.a : écrêtage par blocage ........................................................................................................... (11)

Figure 1.11.b : écrêtage par saturation ........................................................................................................ (11)

Figure 1.11.c : point Q optimal ................................................................................................................... (11)

Figure 1.12.a : Ampli classe C accordable ................................................................................................ (13)

Figure 1.12.b : Gain en tension en fonction de la fréquence .................................................................... (13)

Figure 1.13.a : Deux droites de charge ....................................................................................................... (14)

Figure 1.14.a : Circuit équivalent AC ......................................................................................................... (14)

Figure 1.14.b : Signal d’entrée sur la base fixée négatif ........................................................................... (14)

Figure 1.14.d : Impulsion de courant collecteur ......................................................................................... (14)

Figure 1.15.a : Circuit collecteur AC ........................................................................................................ (15)

Figure 1.15.b : Forme de la tension collecteur ........................................................................................ (15)

Figure 1.16 : Bande passante ...................................................................................................................... (16)

Figure 1.17.a : Résistance série de l’inductance ......................................................................................... (17)

Figure 1.17.b : Résistance équivalente parallèle ....................................................................................... (17)

Figure 1.18 : Coefficient de remplissage .................................................................................................... (18)

Figure 1.19 : Coefficient de remplissage .................................................................................................... (19)

Figure 1.20.a : Sortie maximale dissipée .................................................................................................... (20)

Figure 1.20.b : Angle de conduction .......................................................................................................... (20)

Figure 1.20.c : Puissance Par le transistor ................................................................................................. (20)

Figure 1.21.a : Courant d’alimentation ....................................................................................................... (20)

Figure 1.21.b : Rendement ....................................................................................................................... (20)

Figure 3.1 : Bilan de puissance sur un amplificateur .................................................................................. (35)

Figure 3.2 : amplificateurs en cascade ........................................................................................................ (36)

Figure 3.3 : Adaptation conjuguée réelle .................................................................................................... (37)

Figure 3.4 : Puissance mises en jeu ............................................................................................................ (39)

Figure 3.5 : Transfert de puissance ............................................................................................................. (40)

Figure 3.6 : Générateur chargé .................................................................................................................... (41)

Figure 3.7: Compression AM/AM ............................................................................................................. (43)

Figure 3.8: Conversion AM/PM ................................................................................................................. (43)

Figure 3.9 : Coupe schématisée d’un transistor N-MOS ............................................................................ (44)

Figure 3.10 : Symbole de transistor N-MOS .............................................................................................. (44)

Figure 3.11 : Fonctionnement de transistor N-MOS .................................................................................. (44)

Figure 3.12 : Coupe schématisée d’un transistor P-MOS............................................................................ (45)

Figure 3.13 : Symbole de transistor P-MOS ............................................................................................... (45)

Figure 3.14 : Fonctionnement de transistor P-MOS ................................................................................... (45)

Figure 3.15: Coupe schématisée d’un transistor CMOS.............................................................................. (46)

Figure 3.16 : Transistor CMOS .................................................................................................................. (46)

Introduction

Générale

INTRODUCTION

1

Introduction générale

Le développement des systèmes de communications modernes orienté résolument vers

des applications civiles grand public conduit à une évolution importante de tous les domaines de l’électronique RF liée aux exigences sur l’intégration, le coût et la fiabilité des circuits.

Ainsi, la transmission sans fils de volumes de données importants (fichiers, musiques, vidéo...) implique des débits de communication élevés atteints grâce à des modulations numériques complexes.

L’amplificateur de puissance, dernier élément de la chaîne d’émission avant l’antenne,

est l’élément dont la consommation est la plus importante et dont la linéarité est un critère important pour assurer la qualité de la transmission.

Ainsi, les spécifications nouvelles ont conduit à la recherche d’architectures de circuits d’amplification afin d’améliorer la linéarité et le rendement des amplificateurs de puissance,

le fonctionnement sur une grande largeur de bande de fréquence.

La technologie RF CMOS permet une intégration plus élevée des amplificateurs de

puissance classe C, sont généralement réalisés sur le silicium en assurant un faible cout, une bonne compatibilité avec les circuits numériques, une fréquence de fonctionnement élevée,

une bonne linéarité, une bande de fréquence de fonctionnement assez large et une bonne stabilité.

Dans ce cadre, la synthèse de ce travail de mini projet est présentée dans trois chapitres :

Le premier chapitre traite d’abord l’amplificateur de puissance, les diffèrent classe de

l’amplificateur de puissance et leur fonctionnement, étude approfondi sur la classe C.

Le deuxième chapitre présente les différentes RF existe et leur domaine d’applications

dans les hautes fréquences.

Le troisième chapitre traite l’amplificateur RF, le gain, le rendement, les critères de la

stabilité, linéarité. Et en étudie la technologie CMOS et la RF CMOS en puissance classe C.

On termine avec une conclusion générale.

Chapitre I L’Amplification De Puissance

L’Amplification de Puissance Chapitre I

2

Introduction

Il existe plusieurs possibilités pour d’écrire les amplificateurs. Par exemple, on peut les caractériser

par leur classe de fonctionnement, leurs liaisons entre les étages ou leur gamme de fréquence.

1. Classes de fonctionnement

1.1. Le fonctionnement en classe A

Le fonctionnement en classe A signifie que le transistor opère toujours dans la zone active. Cela

nécessite un courant collecteur pendant la totalité du cycle (360°), comme le montre la figure 1.1. Dans ce

cas, on essaie de positionner le point de fonctionnement Q vers le milieu de la droite de charge. De cette

manière, le signal peut balayer la plus grande distance possible avant la saturation et le blocage qui provoque

la distorsion.

Figure 1.1 : le fonctionnement en classe A.

1.2. Le fonctionnement en classe B

La classe B est différent. Le courant collecteur n’existe que pendant la moitié du cycle (180°) comme

le montre la figure 1.2. Pour obtenir ce type de fonctionnement, on localise le point de fonctionnement Q au

blocage. De ce fait, seule l’alternance positive de la tension AC sur la base produit un courant collecteur,

cela réduit la chaleur gaspillée dans les transistors de puissance.


3

Figure 1.2 : le fonctionnement en classe B.

1.3. Le fonctionnement en classe AB

La classe AB est un compromis entre la classe A et la classe B : le point de repos de l'amplificateur se

situe entre celui d'un amplificateur de classe A et celui d'un amplificateur de classe B. comme l’illustre la

figure 1.3. Avec un fonctionnement en classe AB, Une telle méthode de polarisation permet à la classe AB

de fonctionner en classe A pour les signaux de faible amplitude puis de se comporter comme un

amplificateur de classe B pour les signaux de forte amplitude. Tout comme pour les amplificateurs de classe

B, les amplificateurs de classe AB sont souvent utilisés en configuration push-pull afin de diminuer le taux

de distorsion lors de l'amplification de signaux de forte amplitude.

Figure 1.3 : le fonctionnement en classe AB.

Le principal inconvénient des push-pull de classe AB survient lorsque l'on amplifie des signaux

de forte amplitude : une partie du signal est amplifiée par deux transistors (zone de fonctionnement en classe

A) tandis que le reste du signal est amplifié par un seul transistor (zone de fonctionnement en classe B).


4

Ainsi, le gain en courant du montage n'est pas constant au cours d'un « cycle » d'amplification. Cette

variation du gain en courant engendre des distorsions hautes fréquences lors du passage entre la zone où

deux composants amplifient le signal et celle où un seul composant l'amplifie

1.4. Le fonctionnement en classe C

Implique un courant collecteur pendant moins de 180°, comme l’illustre la figure 1.4. Avec un

fonctionnement en classe C, une partie de l’alternance positive de la tension AC sur la base produit du

courant collecteur.

Figure 1.4 : le fonctionnement en classe C.

Les amplificateurs de classe C sont des amplificateurs non- linéaires à très haut rendement. Ils sont

toutefois utilisables que dans les amplificateurs HF (émetteur radio) avec des porteuses non modulées en

amplitude. Ils génèrent un nombre considérable d'harmoniques qui doivent être filtrées à la sortie à l'aide de

circuits accordés appropriés.

Les amplificateurs de classe C sont utilisés pour réaliser des amplificateurs ultrasoniques, hautes

fréquences sélectifs et micro-ondes ainsi que des oscillateurs hautes fréquences. Les amplificateurs de classe

C sont aussi utilisés pour réaliser des multiplicateurs de fréquence.

1.5. Le fonctionnement en classe D

Les amplificateurs de classe D sont des amplificateurs travaillant en commutation. Le signal à amplifier

est préalablement transformé en un signal rectangulaire de fréquence de pulsation fp dont le rapport cyclique

est proportionnel à la valeur moyenne glissante sur une période de pulsation Tp. Ce type de modulation est

appelé modulation de largeur d'impulsion MLI (PWM Pulse Width Modulation).


5

Le signal rectangulaire résultant est directement utilisé pour attaquer les transistors de sortie qui sont

généralement de type MOS pour les fréquences supérieures à 50kHz. La sortie de l'étage de puissance est

suivie d'un filtre BF qui restitue un signal semblable à celui d'entrée. Les amplificateurs de classe D ont des

rendements élevés et sont de fidélité moyenne. Ils sont utilisés dans les autoradios.

La Figure 1.5. Montre un étage de puissance suivi du filtre BF et de la charge sous forme d'un haut-parleur.

Figure 1.5 : Amplificateur classe D.

La droite de charge classique pour les amplificateurs de classe A et AB est remplacé par deux points de

fonctionnement correspondants aux deux états possibles des transistors MOS de sortie.

La Figure 1.5.a. Montre la droite de charge de l’amplificateur classe D.

Figure1.5.a : La droite de charge de l’amplificateur classe D.

1.6. Le fonctionnement en classe E

Les amplificateurs de classe E sont des amplificateurs à haut rendement. Ils sont généralement utilisés

pour amplifier les fréquences radio.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Onde_radio


6

Afin de limiter les pertes par commutations, les amplificateurs de classe E sont conçus pour que le

changement d'état du transistor se fasse en l'absence de courant. Entre deux commutations, le transistor est

soit bloqué (le courant qui le traverse est nul), soit saturé (la tension à ses bornes est quasi nulle) ; (figure

1.6.b). Les pertes dans un transistor étant dues au produit de la tension à ses bornes par le courant le

traversant, l'absence de courant lorsque la tension est non nulle, et vice versa permet de minimiser les pertes.

Le rendement théorique d’un amplificateur de classe E utilisant des composants parfaits est de 100 %.

Le schéma de base d'un amplificateur de classe E est donné sur la figure 1.6.a.

Figure 1.6.a : Amplificateur classe E Figure 1.6.b :Fonctionnement de la classe E

2. Types de liaisons

La figure 1.7.a. illustre une liaison par condensateur. Le condensateur de liaison transmet la tension

AC amplifiée à l’étage suivant. La liaison par transformateur est représentée sur la figure 1.7.b. ici la tension

AC et transmise à l’étage suivant par l’intermédiaire d’un transformateur. Les liaisons par condensateur et

par transformateur sont des exemples de transmission du signal AC avec blocage de la tension DC.

La liaison directe est différente. La figure 1.7.c. montre une liaison directe entre le collecteur d’un

premier transistor et la base d’un second. Ici, les tensions AC et DC sont transmise simultanément, donc il

n’y a pas de limite de fréquence. Un amplificateur à liaison directe est parfois appelé ampli continu.


7

Figure 1.7.a : Type de liaison Figure 1.7.b : Type de liaison Figure 1.7.c : Type de liaison

Par capacité. Par transformateur. Directe.

3. Gamme de fréquences

Une autre classification des amplis est donnée par leur gamme de fréquence. Un amplificateur audio

fréquence présente une plage de fréquence qui varie de 20 Hz à 20 KHz. Par contre un amplificateur

radiofréquence (RF) opère à des fréquences supérieures à 20 KHz et généralement nettement plus. Par

exemple, les amplis RF dans les radios en modulation d’amplitude (AM) amplifient les fréquences entre 535

KHz (150KHz en Europe) et 1605 KHz ; en modulation de fréquence (FM) celles entre 87.8 MHz et

108MHz.

Les amplis sont aussi classés en bande étroite ou en large bande. Un ampli bande étroite fonctionne

dans une petite échelle de fréquences, par exemple entre 450 KHz et 460KHz. Un ampli large bande opère

dans une large plage, par exemple de 0 à 1MHz.

Les amplis à bande étroite sont aussi appelés amplificateurs RF accordables car leur charge AC est

un circuit résonant de grand coefficient de qualité accordé sur une station de radio ou un canal de télévision.

Les amplis large bande ne sont généralement pas accordables, leur charge et une résistance.

La figure 1.8.a. est un exemple d’ampli RF accordable. Le circuit LC parallèle résonne à une certaine

fréquence ; si son coefficient de qualité Q est grand, la largeur de bande est étroite. Le signal de sortie est

transmis par un condensateur de liaison à l’étage suivant.

La figure 1.8.b. est un autre exemple d’ampli RF accordable. Cette fois, le signal de sortie à bande

étroite est relié par transformateur à l’étage suivant.


8

Figure 1.8.a : Ampli RF accordable, Figure 1.8.b : Ampli RF accordable,

Liaison par condensateur. Liaison par transformateur.

4. Les deux droites de charge

Chaque amplificateur possède deux circuits équivalents : l’un pour le régime continu, l’autre pour le

régime alternatif. Il dispose donc de deux droites de charge : l’une valable pour le régime continu, c’est la

droite de charge DC ; l’autre valable pour le régime alternatif, c’est la droit de charge AC. En petit signal, la

position du point de fonctionnement Q n’est pas critique. En grand signal, le point Q doit être situé au milieu

de la droite de charge AC pour obtenir la plus grande amplitude maximale à la sortie.

4.1. La droite de charge DC

La figure 1.9.a. Représente un amplificateur polarisé par diviseur de tension. Une méthode pour

déplacer le point de fonctionnement Q est de modifier la valeur de la résistance Re. Pour les très grandes

valeurs de Re, le transistor se trouve à la saturation et le courant est donné par :

𝐼𝐶(𝑆𝐴𝑇 )= Vcc

Rc +Re ……………… (1.1)

Les très petites valeurs de 𝑅𝑒 conduisent le transistor au blocage et la tension est donnée par :

𝑉𝑐𝑒 (𝑏𝑙𝑜𝑐𝑎𝑔𝑒 ) = 𝑉𝐶𝐶

La figure 1.9.b. Illustre la droite de charge DC avec le point de fonctionnement Q.


9

Figure 1.9.a : Ampli polarisé par Figure 1.9.b: Droite de charge DC.

Diviseur de tension

4.2. La droite de charge AC

La figure 1.10.a. représente le circuit équivalent AC de l’ampli 1.9.a polarisé par diviseur de

tension. Avec l’émetteur à la masse. De plus, la résistance de collecteur Rc en dynamique est inférieure à sa

résistance Rc statique. Donc, si un signal alternatif intervient, le point de fonctionnement instantané évolue

sur la droite de charge AC de la figure 1.10.b. En d’autre termes, les valeurs crête à crête du courant

sinusoïdal et de la tension sont déterminées par la droite de charge AC.

Comme le montre la figure 1.10.b. Les points de saturation et de blocage ne sont pas les mêmes sur

les droites de charge AC et DC. Puisque la résistance AC émetteur et collecteur est plus faible que la

résistance DC, la droite de charge AC est plus raide. Il est important de noter que les droites de charge AC et

DC se croisent au point Q. Ceci arrive lorsque la tension d’entrée passe par 0.

Figure 1.10.a : Circuit équivalent AC. Figure 1.10.b : Droite de charge AC

Examinons comment calculer les extrémités de la droite de charge AC. La tension sur le collecteur nous

permet d’écrire :


10

𝑉𝑐𝑒+𝐼𝐶*𝑅𝐶= 0 ……………… (1.2)

Ou

ic = −Vce

Rc………………….. (1.3)

Le courant AC sur le collecteur est donné par :

𝑖𝐶=∆Ic=Ic-IcQ …………….. (1.4)

Et la tension AC sur le collecteur est :

𝑉𝑐𝑒=∆Vce=Vce-𝑉𝑐𝑒𝑄

En substituant ces expression en (1.3) on arrive à :

𝐼𝐶=𝐼𝐶𝑄 + VCeQ

Rc−

Vce

Rc ……….. (1.5)

C’est l’équation de la droite de charge AC. Quand le transistor vient à saturation, Vce est nul et l’équation

(1.5) nous donne :

𝐼𝐶(𝑆𝐴𝑇 )=𝐼𝐶𝑄 + VceQ

Rc ………(1.6)

Ou

𝐼𝐶(𝑆𝐴𝑇 ) = courant AC de saturation

𝐼𝐶𝑄 =courant de collecteur DC

VCeQ =tension AC vue du collecteur

Lorsque le transistor vient au blocage, 𝐼𝐶 est nul. Puisque Vce (blocage)=VceQ+∆Vce

∆ Vce = (∆Ic)(𝑅𝐶)

On peut substituer et obtenir

∆ Vce = (𝐼𝐶𝑄 ) (𝑅𝐶)

Ce qui donne

Vce (Blocage)= VCeQ +𝐼𝐶𝑄*𝑅𝐶 …………………. (1.7)


11

La valeur crête à crête maximale (MPP) de la tension est toujours inférieure à la tension de la source,

car la droit de charge AC présente une pente plus importante que la droite de charge DC.la formule est :

MPP<VCC

Par exemple, si la tension d’alimentation est égale à 10v, la valeur crête à crête maximale (MPP) de la sortie

sinusoïdale est inférieure à 10v.

4.3. Écrêtage des grands signaux

Quand le point de fonctionnement Q est au milieu de la droite de charge DC (figure 1.10.b), le signal

ne peut utiliser la totalité de la droite de charge AC sans présenter un écrêtage. Par exemple, d’après la

figure 1.11.a, si le signal AC augmente, nous obtenons l’écrêtage dû au blocage.

Figure 1.11.a : écrêtage par blocage Figure 1.11.b : écrêtage par saturation Figure 1.11.c : point Q optimal

Si le point Q est déplacé vers le haut (figure 1.11.b), un signal amène le transistor à la saturation.

Dans ce cas, nous obtenons l’écrêtage par la saturation les deux écrêtages sont indésirables.

Un ampli pour signaux forts bien conçu présente un point Q au milieu de la droite de charge AC

(figure 1.11.c). Dans ce cas, nous avons la sortie crête à crête maximale sans distorsion.

5. Critères de sélection d’une classe d’amplificateur

De nombreux critères peuvent être pris en compte lors de la sélection d'un amplificateur. Les

Points importants étant :

5.1. Le gain (en tension, en puissance)

Chaque amplificateur possède un gain en puissance défini par :

𝐴𝑃 = Pout

Pin ……………….. (1.8)

Pout : Puissance de sortie

Pin : Puissance d’entrée

Le gain en puissance est la puissance AC à la sortie divisée par la puissance AC à l’entrée.


12

5.2. La puissance de sortie

Avec la tension de sortie fournie en volts efficaces, la puissance de sortie s’écrit :

Pout = Veffe ²

Rl =

Vout ²

8 Rl …………………..(1.9)

Pout (max)=MPP ²

8 Rl………… (1.10)

MPP : La valeur crête à crête maximale de la tension

5.3. La puissance dissipée par le transistor

Est la puissance dissipée à cause de la polarisation au point de fonctionnement est :

PDC = VCEQ ICQ ………… (1.11)

5.4. Le rendement

La puissance fournie par la source de collecteur (𝑉𝐶𝐶 ) à l’amplificateur est :

PDC =VCC IDC …………….. (1.12)

Pour comparer les performances des amplis de puissance, on utilise le rendement défini par :

η = Pout

PDC ∗ 100% ……… (1.13)

Le rendement est la puissance alternative recueillie à la sortie divisée par la puissance continue

fournie au montage.

Il est compris entre 0 et 100%. Il donne une échelle pour comparer les différents montages car il

indique la quantité de puissance DC incidente transformée en puissance AC sur la sortie. Plus le rendement

est élevé, plus la conversion est importante. C’est un paramètre fondamental pour la durée des batteries dans

un équipement autonome, un bon rendement signifie une longue durée de fonctionnement.

6. Amplificateur classe C

Avec la classe C, il faut un circuit résonant, c’est pour quoi la plupart des amplis classe C sont des

amplis accordés.

6.1. Fréquence de résonance

Dans le fonctionnement en classe C, le courant collecteur passe pendant moins d’une demi-période.

Un circuit résonant parallèle filtre les impulsions de courant et restitue une sinusoïde pure. La principale

application des amplis classe C réside dans les amplis RF accordés. Le rendement maximal dans ce cas est

100 %.


13

La figure 1.12.a. illustre un ampli RF. La tension sinusoïdale de l’entrée est appliquée sur la base et

une tension amplifiée apparait au collecteur. La sinusoïde amplifiée et inverse est transmise sur la résistance

de charge par un condensateur de liaison. Du fait de la présence du circuit résonant parallèle, la tension de

sortie est maximale à la fréquence de résonance :

fr=1

2π√LC …………………(1.14)

Figure 1.12.a : Ampli classe C accordable Figure 1.12.b : Gain en tension en fonction

De la fréquence

De chaque coté de cette fréquencefr , le gain en tension chute, comme le montre la figure 1.12.b. par

conséquent, un ampli classe C accordé est toujours destiné à travailler sur une faible bande de fréquence. De

ce fait, il est idéal pour l’amplification en radio et en télévision ou chaque station ou chaine dispose d’une

bande étroite de fréquence autour d’une fréquence centrale.

6.2. Droites de charge

La figure 1.13.a. montre les deux droites de charge. La droite de DC est presque verticale car la

résistance 𝑅𝑆 de l’enroulement d’une bobine RF est très faible. Cette droite n’est pas importante car le

transistor n’est pas importante car la tension n’est pas polarisé ; ce qui compte, c’est la droite de charge AC.

Le point Q se trouve sur son extrémité basse. Quand un signal est présent, le point de fonctionnement

instantané monte vers la saturation. L’amplitude maximale du pic de courant collecteur est donnée par le

courant de saturation 𝑉𝐶𝐶 /rC.


14

Figure 1.13.a : Deux droites de charge

6.3. Écrêtage DC du signal d’entrée

La figure 1.14.a. montre le circuit équivalent en régime alternatif. Le signal d’entrée se trouve sur la

diode émettrice et les impulsions de courant commandent le circuit résonant parallèle. Dans un ampli classe

C, le condensateur d’entrée appartient à un circuit de régénération négatif et le signal appliqué sur la diode

émetteur est décalé négatif.

Figure 1.14.a : Circuit équivalent AC

La figure 1.14.b. illustre le fixage négatif. Seules les crêtes positives peuvent mettre la diode

émettrice en conduction. De ce fait, le courant collecteur se compose de brèves impulsions comme celle de

la figure 1.14.d.

Figure 1.14.b : Signal d’entrée sur Figure 1.14.d : Impulsion de courant

La base fixée négatif. collecteur.


15

6.4. Filtrage des harmoniques

Un signal non sinusoïdal comme celui de la figure 1.14.b. est riche en harmoniques, multiples de la

fréquence du signal d’entrée. Autrement dit, les impulsions de la figure sont équivalentes à une somme de

signaux sinusoïdaux de fréquence f, 2f, 3f, …..nf.

Le circuit résonant parallèle de la figure 1.15.a. présente une forte impédance à la fréquence

fondamentale f. il donne un gaine en tension unique à cette fréquence.

Figure 1.15.a : Circuit collecteur AC Figure 1.15.b : Forme de la tension collecteur

Ensuite, le circuit parallèle a une très faible impédance aux harmoniques supérieurs, donnant un très

faible gain en tension. C’est pour cela que la tension sur le circuit parallèle ressemble presque à une

sinusoïde (figure 1.15.b). Tous les harmoniques supérieurs ont été filtrés, il ne reste plus que le fondamental

sur le circuit résonant.

6.5. Dépannage

L’amplificateur classe C reçoit un signal fixé négatif à l’entrée, on peut donc utiliser un voltmètre

continu haut impédance pour mesurer la tension sur la diode émetteur. Si le circuit fonctionne correctement,

on doit lire une tension négative égale à la valeur crête du signal d’entrée.

Le teste au voltmètre est utile quand un oscilloscope n’est pas disponible. Dans le cas contraire, un

test nettement meilleur consiste à visualiser la tension sur la diode émettrice ; elle doit être une sinusoïde

décalée négativement.

6.6. Formules de la classe C

Un ampli classe C accordé est généralement un amplificateur à bande étroite. Le signal d’entrée est

amplifié pour donner une puissance de sortie importante avec un rendement approchant 100 %.

6.6.1. Formules générales

Voici la liste des formules utilisables dans toutes les classes de fonctionnement :


16

𝐴𝑃 = Pout

Pin …………………. (1.8)

Pout = Veffe ²

Rl =

Vout ²

8 Rl ………. (1.9)

Pout (max)=MPP²

8 Rl……………. (1.10)

PDC=VCEQ ICQ……………… (1.11)

PDC=VCC IDC ……………… (1.12)

ŋ=Pout

PDC∗ 100% …………….. (1.13)

6.6.2. La bande passante

La bande passante (BP) d’un circuit résonant est définie par :

BP=f2 − f1 ……………….. (1.15)

f1 : Fréquence basse à mi-puissance

f2 : Fréquence haute à mi-puissance

La fréquence à mi-puissance est identique à la fréquence ou le gain en tension est égal à 0.707 fois le

gain maximal (figure 1.16.). Plus BP est petite, plus l’ampli est à bande étroite.

Figure 1.16 : Bande passante

Avec la relation (1.15), on peut trouver la formule de la bande passante :

BP = fr

Q……………… (1.16)


17

Où Q est le coefficient de qualité du circuit. La relation précédente montre que la bande passante est

inversement proportionnelle à Q.

Les amplificateurs de classe C ont presque tous des circuits de coefficient Q supérieur à 10. Cela

signifie que la bande passante est inférieure à 10 % de la fréquence de résonance. Les classes C sont des

amplis à bande étroite. La sortie d’un tel ampli est une tension sinusoïdale importante à la résonance avec

une rapide décroissance de part et d’autre.

6.6.3. Résistance de collecteur AC

Toute bobine possède une résistance série 𝑅𝑆, comme le montre la figure 1.17.a. le coefficient de

qualité de la bobine est défini par :

QL=

XL

RS

…………………(1.17)

QL : Coefficient de qualité de la bobine.

XL : Réactance.

RS ∶ Résistance série de la bobine.

Figure 1.17.a : Résistance série de l’inductance Figure 1.17.b : Résistance équivalente parallèle

Notez bien que ceci est la définition du coefficient de qualité de la bobine, exclusivement. Le circuit

total présente un coefficient de qualité plus faible, car il englobe les effets de la résistance de charge et de la

résistance de la bobine.

On régime alternatif, la résistance série peut être remplacée par une résistance parallèle Rp. Lorsque

Q est supérieur à 10, cette résistance équivalente peut se mettre sous la forme :

RP =QLXL …………………. (1.18)


18

À la résonnance (figure 1.17.b), XL annuleXC , laissant seulement Rp en parallèle avec RL . Donc, la

résistance AC vue par le collecteur à la résonance vaut :

rC = RP//RL ………….. (1.19)

Le coefficient de qualité de l’ensemble du circuit est alors :

Q = rC

XL

………………….. (1.20)

6.6.4. L e coefficient de remplissage

La brève conduction de la diode émettrice à chaque crête positive engendre des impulsions étroites de

courant collecteur comme on le voit sur la figure 1.18. Avec elle, il est pratique de définir le coefficient de

remplissage (rapport cyclique, coefficient d’utilisation, facteur de forme) selon la relation :

D = W

T …………………. (1.21)

D : coefficient de remplissage

W : largeur de l’impulsion

T : période des impulsions

Par exemple, si un oscilloscope montre une impulsion de largeur 0.2µs et une période de 1.6 µs, le

coefficient de remplissage vaut :

D= 0.2 µs

1.6 µs =0.125

Plus le coefficient de remplissage est petit, plus l’impulsion est étroite par rapport à la période. Celui

de l’ampli classe C est généralement petit. En fait, le rendement d’un amplificateur classe C augmente quand

son coefficient de remplissage diminue.

Figure 1.18 : Coefficient de remplissage


19

6.6.5. L’angle de conduction

Une autre méthode pour établir le coefficient de remplissage consiste à utiliser l’angle de conduction φ

définie par la figure 1.19 :

D = φ

180 ………………… (1.22)

Par exemple, si l’angle de conduction vaut 18°, le coefficient de remplissage est : φ

D = 18

180 = 0.05

Figure 1.19 : Coefficient de remplissage

6.6.6. Puissance dissipée par le transistor

La figure 1.20.a. représente la tension collecteur-émetteur théorique dans un amplificateur classe C. la

sortie maximale est donnée par :

MPP = 2 𝑉𝐶𝐶 ………… (1.23)

Comme la tension maximale est approximativement 2Vcc, le transistor doit une tension

VCEO supérieure à 2Vcc.

La figure 1.20.b. représente le courant collecteur dans l’ampli classe C. Généralement, l’angle de

conduction φ est nettement inférieur à 180°. Remarquez que le courant atteint la valeur maximale 𝐼𝐶(𝑆𝐴𝑇 ) ; le

transistor doit avoir une gamme de courant crête supérieure à cette valeur. La partie en pointillé représente le

temps du blocage.

La dissipation de puissance du transistor dépend de l’angle de conduction. Sur la figure 1.20.c, elle

augment quand il atteint 180°. La valeur maximale de celle-ci peut se calculer :

PD = MPP

2

40 rC ……………. (1.24)


20

La relation (1.24) concerne le pire des cas. Le transistor, dans un fonctionnement en classe C, doit

avoir une gamme de puissance supérieure, sinon il est détruit. En fonctionnement normal, l’angle de

conduction est nettement inférieur à 180° et la puissance dissipée est bien au-dessous de 𝑀𝑃𝑃2 /40𝑟𝐶 .

Figure 1.20.a : Sortie maximale Figure 1.20.b : Angle de conduction Figure 1.20.c : Puissance

Dissipée Par le transistor

6.6.7. Rendement de l’étage

Le collecteur DC dépend de l’angle de conduction ; pour 180° (signal demi-période), le courant moyen

ou courant DC du collecteur vaut 𝐼𝐶(𝑆𝐴𝑇 ) / π. Pour de faibles angles de conduction, il est plus que cela,

comme on le voit sur la figure 1.21.a. Dans un ampli classe C, le courant collecteur DC est le courant

d’alimentation car il n’ya pas de résistances de polarisation.

L’amplificateur classe C convertit la plus grande partie de la puissance continue appliquée en

puissance alternative sur la charge car les pertes du transistor et de la bobine sont faibles. Par conséquent,

cette classe de fonctionnement présente un grand rendement par étage.

La figure 1.21.b. illustre la variation du rendement maximale en fonction de l’angle de conduction. Pour

180° le rendement de l’étage est 78.5 %. Quand l’angle de conduction φ diminue, le rendement de l’étage

s’accroit pour approcher 100 % aux très petits angles de conduction.

Figure 1.21.a : Courant d’alimentation Figure 1.21.b : Rendement


21

Conclusion

Dans ce chapitre on entamer l’étude des amplificateurs de puissances bien détail et une étude

approfondi sur la classe C. Dans le chapitre suivant on va entamer une autre étude sur les ondes

Radiofréquences et leur application dans le domaine de hyper fréquence.

Chapitre II

La Radiofréquence

La Radiofréquence Chapitre II

22

Introduction

Le rayonnement radiofréquence (RF) est un sous-ensemble de rayonnements électromagnétiques

dont la longueur d'onde est de l’ordre de 100 km à 1 mm correspondant à une fréquence de 3 kHz à 300

gigahertz, respectivement. Cette gamme de rayonnement électromagnétique constitue le spectre radio et

correspond à la fréquence des signaux électriques alternatifs employés pour produire et détecter les ondes

radio. La RF peut se rapporter à des oscillations électromagnétiques dans les circuits électriques ou par le

rayonnement dans l'air et l'espace. Comme d'autres sous-ensembles de rayonnement électromagnétique, la

RF se propage dans le vide à la vitesse de la lumière.

1. Classification des ondes

L’utilisation des ondes électromagnétiques en télécommunication déb uta par les expériences de

Hertz et Marconi (1901). Depuis, les besoins de communication d’une part et les formidables progrès

technologiques de l’électronique d’autre part ont permis un développement tel que les canaux hertziens sont

pratiquement saturés jusqu’à 1 GHz. Cependant, une classification des bandes de fréquences est nécessaire

car les technologies à utiliser et les conditions de propagation dépendent fortement de la longueur d’onde.

La classification généralement employée se fait par décades, e lles mêmes découpées en sous bandes en

fonction de leur attribution.

Il existe de types de propagation :

Par courant tellurique (onde de sol) : la portée est directement liée à la puissance d’émission et à la

bande passante de réception. Avec de très grandes puissance (>1MW) et une bande passante étroite (de

l’ordre du hertz) alliée à des modes de démodulation sophistiqués on peut même atteindre de très

grandes portées autorisant des communications lointaines (avec des sous marins en plongée par

exemple).

Par réflexion des ondes sur l’ionosphère: la portée est d’autant plus faible que le taux d’ions est fort

(réflexion à basse altitude) et la fréquence basse. Ce taux d’ions dépend de l’activité solaire et de l’heure.

2. Longueur d’onde

On trouve sur ces longueurs d’ondes des émetteurs horaires, une bande de radiodiffusion et d’autres

signaux destinée en particulier à la localisation.


23

2.1. Ondes longues : 30 KHz à 300 KHz (10 km > > 1 km) (kilométriques) (L.F)

Les ondes LF se propagent essentiellement en onde de surface, guidées par la surface de la terre.

Elles peuvent être réfléchies la nuit. Leur portée atteint quelques milliers de kilomètres. Dans cette bande on

trouve :

-des services de diffusion des signaux horaires en modulation d’amplitude DCF77 :

- Des services d’identification de type RFID (Radio Frequency Identification) ,125 KHz :

- Des services de radiodiffusion en modulation d’amplitude avec porteuse :

Bande GO (grandes ondes) ou LW (long waves) :150-280 KHz,

Les stations sont espacées de 20 KHz et la bande passante de 9 KHz. Le son monophonique est

caractéristique de ces radios.

2.2. Ondes moyennes : 300 KHz à 3 MHz (1km> λ >100m) (bande hectométrique)

Les ondes MF se propagent essentiellement en ondes de surface mais sont plus atténuées que les

ondes LF. De ce fait leur portée est de l’ordre de la centaine de kilomètres. Ces ondes utilisent aussi les

réflexions ionosphériques sur les couches basses.

Dans cette bande on trouve :

- Des services radiodiffusion en modulation d’amplitude avec porteuse :

Bande PO (petites ondes) ou MW (Medium Waves) :526,5-1606,5 KHz,

L’espacement dans stations n’est pas uniforme et la bande passante de 9 KHz .Le son monopho nique

est caractéristique de ces radio ;

- Des services de radiodiffusion maritime Nav Tex ; le Nav Tex (Navigation Télétexte) est un système

d’information maritime par télégraphie qui fait partie du système mondiale de détresse et de sécurité

en mer. La modulation est une modulation d’amplitude. Il existe deux fréquences porteuses :

518 KHz pour le système mondial,

490 KHz pour l’émission nationale ;

- Des services de radiodiffusion amateur en modulation d’amplitude à bande latérale unique

(BLU) :1,8 à 2 MHz.

- Des services de radiodiffusion maritime, aéronautique, météorologique, de détresse, etc. :

1,85 à 3 MHz,

Fréquence de détresse maritime : 2,182 MHz.


24

2.3. Ondes courtes : 3MHz à 30 MHz (100 m > λ > 10 cm) (bande décamétrique)

Les ondes HF se propagent essentiellement par réflexions ionosphériques qui peuvent être

multiples. De ce fait leur portée peut atteindre quelques milliers de kilomètre. Dans cette bande on trouve :

- Des services de radiodiffusion amateur :

BLU : couvrant la bande de 3,5 à 30 MHz mais discrétisée

- 3,5 à 3,8 MHz

- 7 à 7,1 MHz

- 10,1 à 10,15 MHz

- 14 à 14,35 MHz

-18,068 à 18,168 MHz

- 21 à 21,45 MHz

- 24,89 à 28,99 MHz

- 28 à 29,7 MHz

Radioastronomie : 25,55 à 25,67 MHz

Modélisme : 26,81 à 26,92

-Des services d’applications militaires de type radar HF : super DARAN (Centre d’étude des

environnements terrestre et planétaires), Nostradamus (ONERA- office national d’étude et de recherche

aérospatiales), etc.

- Des bandes libres ISM (Industriel, Scientifique et Médical) non soumise à des réglementations nationales

et qui peuvent être utilisées gratuitement et sans autorisation. Les seules obligations à respecter sont les

puissances d’émission.

2.4. Ondes de très haute fréquence : 30 MHz à 300 MHz (10 m > λ > 1 m) (bande métrique) (V.H.F.)

Les ondes VHF se propagent en trajet direct entre un émetteur et un récepteur, sans utiliser ni les

réflexions ionosphériques, car la couche est transparente pour ces fréquences, ni les ondes de surface, car

elles sont absorbées à ces fréquences.

Dans cette bande on trouve :

- Des services de radiodiffusion en modulation de fréquence MF ou FM (Fréquence Modulation) :

FM : 87,8 à 108 MHz,


25

L’espacement des stations et quasi uniforme de 200KHz et la bande passante de 100KHz. Le son

stéréophonique et des informations concernant le trafic automobile, le programme musical et le non

de la station sont donnés sur le RDS (Radio Data Système) ;

- Des services de télédiffusion :

TV en bande 1 :47 à 68 MHz

- canaux 2 à 4,

TV en bande 3 : 174 à 223 MHz

- canaux 5 à 10 ;

- Des services radiodiffusion maritime :

88 canaux de 156,025 à 162,050 espacés de 50 KHz en modulation de fréquence GMSK ?

Les fréquences 161,975 et 162,025 MHz correspondent au système d’identification automatique

AIS ;

- Des services de radiodiffusion divers :

Radio amateur : 50 à 225 MHz

Radioastronomie : 37,5 à 38,25 MHz et 150 à 153 MHz,

Pompiers, ambulance, etc. : 68 à 87,5 MHz

Aéronautique, météo, aérodromes, etc. : 108 à 144 Mhz

Militaire 146 à 150 MHz et 225 à 400 MHz

2.5. Ondes ultra haute fréquence : 300 MHz à 3 GHz (1 m > λ > 10 cm) (bande décimétrique) (U.H.F.)

Les ondes UHF se propagent comme les ondes VHF. Cette bande est largement utilisée pour toutes

les communications de type mobiles et télévisuelles.

Dans cette bande on trouve notamment :


TV en bande 4 et 5 : 470 à 860 MHz

- canaux 21 à 69,

TV par satellites : 2,5 à 2,655 GHz ;

- Des services de communication mobile :


26

GSM (Global system for Mobile communication) :

876 à 960 MHz et 1,710 à 1,880 GHz,

DECT (Digital Enbanced cordless Telephone) :

1,880 à 1,9 GHz,

UMTS (Universal Mobile Telecommunication système) :

1,94 à 1,98 GHz et 2,13 à 2,17 GHz

WLAN (réseaux locaux sans file) : WiFi, HomeRF,etc. :

2,4 à 2,4835 GHz

WPAN (réseau personnels sans fil) : Bluetooth et ZigBee :

2,4 à 2,4835 GHz ;

- des services de radiodiffusion divers :

Radio amateur : 400 MHz à 2,46 GHz

- 430 à 440 MHz

- 1,24 à 1,3 GHz

- 2,3 à 2,46 GHz

RFID :

- 860 à 960 MHz

- 2,3 à 2,46 GHz

Radioastronomie :

-1,350 à1, 427 MHz

-1,6106 à 1,6138 GHz

1,660 à 1,670 GHz

Four à micro-ondes : 2,4 à 2,5 GHz

Militaire : 225 à 400 MHz

ISM :

- 433,05 à 434,79 MHz (utilisé essentiellement pour les télécommandes)

- 868 à 870 MHz

2.6. Ondes supra haute fréquence : 3 GHz à 30 GHz (10 cm > > 1 cm) (bande centimétrique) (S.H.F.)

Les ondes SHF se propagent en vue directe. Ces ondes sont aussi appelées hyper-fréquences. Cette

bande est utilisée essentiellement pour les communications mobiles et satellites. Cette bande est aussi

utilisée pour :


27


TV par satellites :

-3,7 à 4,2 GHz

-bande Ku-1 :10,5 à 11,75 GHz

- bande Ku-2 : 11,75 à 12,5 GHz

- bande Ku-3 : 12,5 à 12,75 GHz

-Des services de communication mobile :

Hyperlan : 5,15 à 5,35 GHz

Wimax : 2 à 11 GHz ;


Radio amateur :

- 3,3 à 3,4 GHz

- 5,65 à 5,85 GHz

- 10 à 101,5 GHz

- 24 à 24,25 GHz

Radioastronomie :

- 3,1 à 3,4 GHz

- 4,8 à 5GHz

- 10,6 à 10,7 GHz

- 14,47 à 14,5 GHz

Radar militaire

ISM :

- 5,725 à 5,875 GHz

- 24 à 24,25 GHz

2.7. Ondes d’extra haute fréquence : 30 GHz à 300 GHz (10 cm > λ > 1 mm) (bande millimétrique)

(E.H.F.)

Les ondes EHF se propagent en vue directe. Ces ondes sont essentiellement utilisées pour des

applications de radioastronomie, de télédiffusion satellitaire et radio amateur :



28

TV par satellites : 40,5 à 42,5 GHz ;


Radio amateur :

- 47 à 47,2 GHz

- 75,5 à 81 GHz

- 119,98 à 120,020 GHz

- 142 à 149 GHz

- 241 à 250 GHz ;

Radioastronomie :

- 31 à 31,8 GHz

- 42,5 à 43,5 GHz

- 48,540 à 49,440 GHz

ISM :

- 61 à 61,5 GHz

- 122 à 123 GHz

- 244 à 246 GHz

3. Aspects généraux

Les théories et techniques mises en jeu dans les réalisations électroniques impliquent une classification

de l’ensemble de ces bandes en deux groupes :

- Le groupe ‘’haute fréquence’’ ou la réalisation d’un court-circuit d’impédance suffisamment faible

est possible. Il est limité aux fréquences inférieures à quelques centaines de MHz.

- Le groupe ‘’hyperfréquence ‘’ ou les phénomènes de propagation ne peuvent jamais être négligées et

qui contient toutes les bandes à partir de celle des U.H.F.

4. Spectre radiofréquence

Le spectre radiofréquence se rapporte à la partie du spectre électromagnétique correspondant aux

fréquences radio dont la bande de fréquence se situe dans le domaine de quelques kilohertz à 300 gigahertz

(correspondant à des longueurs d'onde de l’ordre de 1km à 1 mm).


29

5. L'attribution des fréquences

La Radiofréquence (RF) du spectre électromagnétique est un aspect du monde physique qui, comme

la terre, l'eau et l'air, est soumise aux restrictions d'utilisation. L’utilisation des bandes de fréquences radio

du spectre électromagnétique est réglementée par les gouvernements dans la plupart des pays, dans un

processus de gestion du spectre connu comme l'attribution des fréquences ou l'allocation du spectre. La

propagation radio ne s'arrête pas aux frontières nationales. Pour des raisons techniques et économiques, les

gouvernements ont cherché à harmoniser l'attribution des bandes RF et leur standardisation.

On rencontre un certain nombre d'instances et organes de normes de travail sur les normes d'attribution des

fréquences comprenant:

Union internationale des télécommunications (UIT)

Conférence européenne des administrations des postes et télécommunications (CEPT)

Européen Télécommunications Standards Institute (ETSI)

Comité international spécial des perturbations radioélectriques (CISPR)


30

5.1. Classification des ondes hertziennes

Les ondes électromagnétiques sont classées en fonction de leur fréquence en plusieurs bandes (tableau -1-)

Tableau -1- Classification des ondes hertziennes.

Désignation

internationale

Désignation

francophone

Fréquence Longueur

d’onde

Classe métrique Exemples

d'utilisation

ELF (extremely low frequency)

EBF (extrêmement

basse

fréquence)

3 Hz à 30 Hz

100 000 km à 10 000 km

Détection de phénomènes

naturels

SLF (super low frequency)

SBF (super basse

fréquence)

30 Hz à 300 Hz

10 000 km à 1 000 km

Communication avec les sous-marins

ULF (ultra low frequency)

UBF (ultra basse

fréquence)

300 Hz à 3 000 Hz

1 000 km à 100 km

Appareil de recherche de

victimes d'avalanche

VLF (very low frequency)

TBF (très basse

fréquence)

3 kHz à 30 kHz

100 km à 10 km

Myriamétrique Communication avec les sous-

marins, Implants

médicaux, Recherches

scientifiques...

LF (low frequency)

BF (basse fréquence)

30 kHz à 300 kHz

10 km à 1 km Kilométriques Radionavigation, Radiodiffusion,

Radio- identification

MF (medium frequency)

MF (moyenne fréquence)

300 kHz à 3 MHz

1 km à 100 m Hectométriques Radio AM

HF (high

frequency)

HF (haute

fréquence)

3 MHz à

30 MHz

100 m à 10 m Décamétriques Radio-

identification...

VHF (very high frequency)

THF (très haute

fréquence)

30 MHz à 300 MHz

10 m à 1 m Métriques Radio FM, Télévision

UHF (ultra high frequency)

UHF (ultra haute

fréquence)

300 MHz à 3 GHz

1 m à 10 cm Décimétriques GSM, GPS, Wifi

SHF (super high frequency)

SHF (super haute

fréquence)

3 GHz à 30 GHz

10 cm à 1 cm Centimétriques Micro-onde

EHF (extremely high frequency)

EHF (extrêmement

haute

fréquence)

30 GHz à 300 GHz

1 cm à 1 mm Millimétriques Radars anticollision pour automobiles,

Liaisons vidéo

transportables

Tera hertz Téra hertz 300 GHz à 3 000 GHz

1 mm à 100 µm Submillimétriques


31

6. Les utilisations du spectre radioélectrique

Les applications issues de l’utilisation des ondes radioélectriques sont d’une grande importance pour la

société. Depuis une décennie, les progrès de la technologie électronique et des microprocesseurs ont rendu

réalisables toute une gamme de services et d'équipements nouveaux. Des secteurs entiers de l’économie sont

tributaires des fréquences radioélectriques et les services qui en dépendent sont des éléments indispensables

du bien-vivre de nos sociétés modernes :

Diffusion radiophonique : l’application majeure est la diffusion de programmes nationaux et

locaux de Radio France et les programmes des radios privées.

Diffusion télévisuelle : l’offre disponible en télévision s’est considérablement accrue ces dernières

années. On compte aujourd’hui 6 réseaux terrestres (et quelques stations régionales), plus une

importante offre de diffusion par satellite.

Radioamateurs : ce service bénéficie de bandes de fréquences spécifiques pour la CB…

Radiocommunication du service de téléphonie fixe : Ce sont les applications destinées à établir

des communications entre stations fixes (téléphone sans fil, DECT, WiFi, interconnexions et

raccordement au service téléphonique de sites isolé, armées…).

Radiotéléphonie avec les mobiles : Connaît un essor remarquable dans la radiotéléphonie avec

notamment les opérateurs Orange, SFR et Bouygues Télécom (norme cellulaire GSM à 900Mhz et la

norme dérivée DCS1800). Il existe d’autres services mobiles comme les réseaux des armées et de la

police, réseaux de sécurité…

Appareillages : Concerne tous les appareils industriels, scientifiques ou médicaux et le doma ine

domestique. Tous ces appareils sont réglementés par le ministère chargé des télécommunications en

raison des problèmes radioélectriques qu’ils peuvent poser.

Radiorepérage : comprend la radionavigation aéronautique et maritime, la radiolocalisation à l’aide

de radars, la navigation des avions aux instruments, le GPS…

7. Bilan de liaison

L’équation des télécommunications permet le calcul de la puissance reçue en fonction de la puissance

émise.

Le flux de puissance vaut :

𝑃𝐸

4𝜋𝐷2 ……………… (2.1)

𝑃𝐸: Puissance émetteur

Où D est la distance séparant l’émetteur et le récepteur


32

Ceci exprime que la puissance est émise dans toutes les directions, soit dans un angle solide de 4𝜋. Si

l’antenne de l’émetteur présente dans la direction du récepteur un gain absolu𝐺𝐸 , la densité du flux de

puissance dans cette direction vaut :

𝐺𝐸𝑃𝐸

4𝜋𝐷2 ……………….. (2.2)

Le produit 𝐺𝐸𝑃𝐸 est appelé puissance apparente rayonnée.

L’antenne de réception, de surface équivalente 𝑆𝑅 , prélève sur l’onde reçue la puissance 𝑃𝑅 qui est la

puissance reçue à l’entrée du récepteur :

𝑃𝑅 = 𝑆𝑅 𝐺𝐸𝑃𝐸

4𝜋𝐷2 ……… (2.3)

Le gain d’une antenne G et sa surface équivalente 𝑆𝑅 sont liés par la relation :

G = 4𝜋𝑆

𝜆2 …………… (2.4)

Ou λ est la longueur d’onde.

Le rapport des puissances 𝑃𝑅

𝑃𝐸 peut alors s’exprimer par la relation :

𝑃𝑅

𝑃𝐸 =𝐺𝐸𝐺𝑅

𝜆2

4𝜋𝐷2 …… (2.5)

𝐺𝐸 𝑒𝑡 𝐺𝑅Sont respectivement les gains d’antennes à l’émission et à la réception.

λ est la longueur d’onde transmise.

L’affaiblissement de puissance A, dit affaiblissement en espace libre, peut encor s’écrire sous la forme

suivante :

A = (4𝜋𝐷

𝜆)2 ………. (2.6)

λ = 𝐶

𝑓

A (dB) = 20 log (4𝜋𝐷

𝜆)=22+20 log (

𝐷

𝜆)

Avec C=3.108 m. 𝑠−1,f : la fréquence en Hz

Finalement :

A (dB) =22+20 log (𝐷

𝜆) …… (2.7)

Avec D et λ dans la même unité.


33

Conclusion

Toutes les notions fondamentales exposées dans ce chapitre seront utilisées pour examiner le

fonctionnement des émetteurs et des récepteurs et évaluer leurs performances, e t nous permet d’étudier

l’amplificateur Radiofréquence CMOS en puissance classe C.

Chapitre III Caractérisation de l’amplificateur

Radiofréquence

Caractérisation d’un amplificateur Radiofréquence Chapitre III

34

Introduction

Dans les deux précédents chapitres on a exposé un aperçu général sur les amplificateurs de

puissance et les radiofréquences appliquées aux hautes fréquences. Dans se chapitre en va entamer l’étude

sur les amplificateurs radiofréquences en général.

1. Les différents types d’amplificateurs dans une chaine d’émission-réception

Dans les chaines d’émission-réception radiofréquence et micro ondes, les amplificateurs occupent une

place importante. Leurs caractéristiques et leurs régimes de fonctionnement dépendent des performances

attendues en émission ou en réception. On peut donc appliquer aux amplificateurs une double classification :

Classification par type d’application ;

Classification par largeur de la bande de fréquence.

Il est possible de classer les amplificateurs selon trois catégories :

amplificateur fonctionnant en régime linéaire et à fort gain

Aux fréquences plus élevées, les réactances capacitives en parallèle deviennent plus faibles. Les facteurs

qualité chargés des réseaux d’adaptation doivent alors être impérativement plus élevés, ce qui entraine une

diminution de la largeur de bande. Cette limitation est essentielle ; peut importe la complexité du réseau

d’adaptation, le gain doit laisser la place à la largeur de bande. Une réactance négative placée autour d’un

transistor atténuera les effets de ses réactances. Mais une rétroaction entraine une diminution du gain, il ya

donc lieu de trouver un compromis approprié entre gain et largeur de bande.

amplificateur fonctionnant en régime linéaire et à faible bruit

Un amplificateur faible bruit (LNA de l'anglais Low Noise Amplifier) est un dispositif électronique

chargé de mettre en forme des signaux très faibles en provenance d'une antenne. Il est souvent placé à

proximité du capteur, de manière à minimiser les pertes en ligne ; pour cette raison, il est parfois nommé

préamplificateur. Ce type de solution est fréquemment utilisé pour les systèmes travaillant à des fréquences

élevées, tels que le signal GPS.

Suivant les fréquences, l'élément actif d'un amplificateur d'entrée à faible bruit varie : le FET est le

moins bruyant jusqu'à quelques dizaines de mégahertz, suivi par le transistor bipolaire (particulièrement

SiGe), puis de nouveau le FET en GaAs au-delà de quelques gigahertz.


35

amplificateur de puissance fonctionnant en régime non linéaire

Dans un système de communications, en raison de la présence de bruit et de la bande passante de valeur

finie, on peut rencontrer, au niveau d’un dispositif linéaire, des distorsions du signal liées à des variations

d’amplitude et de phase en fonction de la fréquence.

D’autre distorsion, liées à la présence d’éléments non linéaires, peuvent apparaitre dans un système.

À cette classification peut s’ajouter une seconde classification, dépendant de la bande de fréquence du

fonctionnement.

Amplificateur bande étroite : 10 à 15 % de largeur de bande autour de la fréquence centrale.

Les amplificateurs à bande étroite utilisés à des fréquences inférieures à 30 MHz ressemblent

beaucoup aux amplificateurs BF à liaison par résistance. Les charges résistives sont remplacées par

des bobines en parallèle ; celles-ci annulent les capacités du transistor en HF.

Amplificateur ultra-large bande : plusieurs octaves de largeur de bande.

La plus part des amplificateurs à large bande font appel à la rétroaction. Une impéda nce

d’émetteur non découplée fournit une rétroaction en série. Une impédance entre le collecteur et la

base fournit une rétroaction en parallèle. Les amplificateurs à large bande et faible bruit emploient

fréquemment une chaine de rétroaction composée d’éléments sans perte, c'est-à-dire réactifs.

2. Caractéristiques d’un amplificateur de puissance

2.1. Rendements d’un amplificateur

Considérons un amplificateur à un étage, selon la figure 3.1.

Figure 3.1 : Bilan de puissance sur un amplificateur.

𝑃𝑅𝐹(𝐸) : Puissance RF de l’entrée amplificateur.

𝑃𝑅𝐹(𝑆) : Puissance RF de sortie amplificateur.

𝑃(𝐷𝐶) : La puissance fournie par la source continue de l’amplificateur.


36

Quel que soit l’amplificateur, le rendement est une grandeur importante qui le caractérise.

Il existe trois types de rendement :

Le rendement drain ou collecteur (selon le type de composant) ;

Le rendement en puissance ajoutée ;

Le rendement global.

Le rendement drain (ou collecteur) est défini par :

𝜂 = 𝑃𝑅𝐹 (𝑆 )

𝑃𝐷𝐶 ……………….... (3.1)

Le rendement en puissance ajoutée est défini par :

𝜂𝑃𝐴𝐸 = 𝑃𝑅𝐹 𝑆 − 𝑃𝑅𝐹 (𝐸)

𝑃𝐷𝐶 ………. (3.2)

Le rendement global est :

η = 𝑃𝑅𝐹 (𝑆 )

𝑃𝐷𝐶 + 𝑃𝑅𝐹 (𝐸 ) ….................. (3.3)

Dans une chaine d’amplificateurs, il est très fréquent d’utiliser une cascade d’amplificateurs.

Déterminons donc le rendement de cette structure (figure 3.2.).

Figure 3.2 : amplificateurs en cascade.

Pour un seul amplificateur :

𝜂𝑃𝐴𝐸 = 𝑃𝑅𝐹 𝑆 − 𝑃𝑅𝐹 (𝐸)

𝑃𝐷𝐶=

𝑃𝑅𝐹 (𝑆 )

𝑃𝐷𝐶 (1 −

1

𝐺 ) = η (1-

1

𝐺 ) ………….. (3.4)

Pour deux amplificateurs en cascade, on obtient :

η = 𝜂2

1+𝑃𝐷𝐶1𝑃𝐷𝐶2

= 𝜂2

1+𝜂2

𝜂1𝐺2

…………… (3.5)


37

2.2. Critères de stabilité

Un amplificateur doit rester stable (et ne pas se mettre à osciller) dans son environnement de travail.

Un amplificateur qui fonctionne par exemple à 100 MHz ne sera pas satisfaisant s’il produit des oscillations,

même à des fréquences très différentes, comme à 1GHz. Une mise en oscillation place véritablement le

circuit dans un régime d’excursions de grande amplitude ; la simultanéité des états d’amplification et

d’oscillation conduit à une totale non linéarité.

Dans un quadripôle linéaire unilatérale, on peut déterminer son gain transducique maximum par :

𝐺𝑇𝑈 = 1−|Г1|2

|1−𝑆11 Г1|2 |𝑆21 |2 1−|Г2|2

|1−𝑆22 Г2|2 ……………. (3.6)

Г𝑖 : Coefficient de réflexion.

𝑆𝑖𝑗 : Paramètres S de l’amplificateur.

Ce gain est maximum quand les adaptations en entrée et en sortie sont parfaites :

Г1 = 𝑆11∗ Et Г2 = 𝑆22

∗

𝐺𝑇𝑈 = 1

1−|𝑆11 |2 |𝑆21 |2 1

1−|𝑆22 |2 …………………. (3.7)

Dans le cas où le dispositif ne peut être considéré comme unilatéral (𝑆12 #0), les conditions

d’adaptation en entrée et en sortie permettant d’obtenir le gain maximum sont plus complexes (figure 3.3.).

L’adaptation conjuguée sera obtenue si :

Г1∗ = 𝑆11 +

𝑆12 𝑆21 Г2

1−Г2𝑆22 ………………. (3.8)

Г2∗ = 𝑆22 +

𝑆12 𝑆21 Г1

1−Г1𝑆11 ……………… (3.9)

Figure 3.3 : Adaptation conjuguée réelle.


38

Г1 : Coefficient de réflexion de l’adaptateur d’entrée.

Г2 : Coefficient de réflexion de l’adaptateur de sortie.

Г𝑖𝑛 : Coefficient de réflexion pour l’entrée de l’amplificateur.

Г𝑜𝑢𝑡 : Coefficient de réflexion pour la sortie de l’amplificateur.

Afin d’obtenir une adaptation conjuguée simultanée, les deux conditions précédentes doivent être

satisfaites simultanément, d’où :

Г1 = 𝑆11∗ +

𝑆12∗ 𝑆21

∗ (𝑆22 −∆Г1)

1−𝑆11 Г1−|𝑆22 |2+𝑆22∗ ∆Г1

…………. (3.10)

Rappelons que :

Г1 = 𝑍1−𝑍0

𝑍1+𝑍0 ……………………………… (3.11)

Г2 = 𝑍2 −𝑍0

𝑍2 +𝑍0 ………………...…................ (3.12)

𝑍1 𝑒𝑡 𝑍2 sont les impédances présentées par les réseaux d’adaptation d’entrée et de sortie ; elles sont donc à

partie réelle positive. Par conséquent, il faut que :

Г1 < 1 𝑒𝑡 Г2 < 1

En développant (3.10) en suite on résout l’équation du second degré est on déduit que la condition

nécessaire et suffisante pour que l’adaptation simultanée soit vérifiée est :

K = 1− |𝑆11 |2− |𝑆22 |2+ |𝑆11 𝑆22 −𝑆12 𝑆21 |2

2|𝑆12 𝑆21 | > 1 ……… (3.13)

Ce paramètre K représente le coefficient de stabilité du quadripôle actif.

L’étude des critères de stabilité est très importante dans la conception d’un amplificateur RF ou

micro-ondes.

Un quadripôle actif de type amplificateur sera dit inconditionnellement stable, si la partie réelle de

l’impédance d’entrée et de sortie reste positive pour toutes les impédances de charge et de source.


39

2.2.1. Résumé des conditions de stabilité

Le quadripôle sera inconditionnellement stable si :

K>1 et ∆ > 1 ou si K<1 et |∆|<1.

Le quadripôle sera inconditionnellement instable si :

K < 0 et ∆ > 1

2.3. Gain des amplificateurs

On définit le gain transducique 𝐺𝑇 comme le rapport de la puissance délivrée à la charge sur la

puissance disponible sur le générateur. Le gain en puissance 𝐺𝑃 représente le rapport de la puissance délivrée

à la charge sur la puissance entrant effectivement dans le quadripôle. Enfin, le gain disponible 𝐺𝐴 se définit

comme le rapport de la puissance disponible sur le quadripôle sur la puissance disponible du générateur

(figure 3.4.).

Figure 3.4 : Puissance mises en jeu.

𝑃𝐼𝑁 : Puissance d’entrée du quadripôle.

𝑃𝐴𝑉𝑁 : Puissance de sortie du quadripôle.

𝑃𝐴𝑉𝑆 : Puissance de générateur.

𝑃𝐿 : Puissance de charge.

Ces différents gains s’expriment en fonction des paramètres S du quadripôle et du coefficient de

réflexion de la source et de la charge :

𝐺𝑇 = 𝑃𝐿

𝑃𝐴𝑉𝑆=

1−|Г𝑆 |2 |𝑆21 |2(1−|Г𝐿 |2)

| 1−𝑆11 Г𝑆 1−𝑆22 Г𝐿 −𝑆12 𝑆21Г𝑆Г𝐿|2 ……… (3.14)


40

𝐺𝑃 =𝑃𝐿

𝑃𝐼𝑁=

1

1−|Г1 |2 |𝑆21 |2 1−|Г𝐿 |2

|1−𝑆22 Г𝐿|2 ……………….. (3.15)

𝐺𝐴 =𝑃𝐴𝑉𝑁

𝑃𝐴𝑉𝑆=

1−|Г𝑠|2

|1−𝑆11 Г𝑆 |2 |𝑆21 |2 1

1−|Г2 |2 ……………… (3.16)

Le gain transducique est toujours inférieur ou égal au gain disponible 𝐺𝐴 (respectivement au gain en

puissance 𝐺𝑃 ).

2.4. Adaptation d’impédance

L’adaptation d’impédance, surtout lorsque celle-ci doit être réalisées sur une large bande. En

radiocommunication, on cherche à transférer une puissance maximale d’une source de tension 𝑉𝐸 de

résistance interne 𝑅𝐺 vers une charge de valeur𝑅𝐿 (Figure 3.5).

Figure 3.5 : Transfert de puissance.

𝑅𝐺 : Résistance du générateur.

𝑅𝐿 : Résistance du charge.

𝑉𝐸 : Tension du générateur.

La tension 𝑉𝑆 aux bornes de la charge𝑅𝐿 , vaut :

𝑉𝑆 = 𝑉𝐸 𝑅𝐿

𝑅𝐿+𝑅𝐺 ………………. (3.17)

La puissance 𝑃𝑆 fournie à la charge 𝑅𝐿 , vaut :

𝑃𝑠 = 𝑉𝑆

2

𝑅𝐿 = 𝑉𝐸

2 𝑅𝐿

(𝑅𝐺 +𝑅𝐿)2 ……….. (3.18)

On recherche alors si il existe une relation entre 𝑅𝐿 𝑒𝑡 𝑅𝐺 , telle que la puissance 𝑃𝑆 soit maximale :


41

𝑑𝑃𝑆

𝑑𝑅𝐿 = 𝑉𝐸

2 𝑅𝐺−𝑅𝐿

(𝑅𝐺 +𝑅𝐿 )3 ……………….. (3.19)

Lorsque 𝑑𝑃𝑆

𝑑𝑅𝐿= 0 la puissance 𝑃𝑠 est maximale. Cette condition équivaut à la relation bien connue

𝑅𝐺 = 𝑅𝐿 .

Lorsque la résistance de charge 𝑅𝐿 est égale à la résistance interne du générateur 𝑅𝐺 , le circuit est adapté en

puissance. La puissance délivrée à la charge est maximale et vaut :

𝑃𝑆𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝐸

2

4𝑅𝐿 ……………………. (3.20)

Dans le cas de la figure 3.5 les impédances 𝑅𝐺 et 𝑅𝐿 sont des résistances pures. On peut

certainement rencontrer ce cas concret, mais il ne s’agit pas du cas réel le plus fréquent. Généralement, les

impédances 𝑍𝐺 et 𝑍𝐿 sont des impédances complexes (Figure 3.6).

Figure 3.6 : Générateur chargé.

La puissance délivrée à la charge se déduit du courant circulant dans la maille et de la tension à ses

bornes :

𝑃𝐿 = 1

2 𝑅𝑒(𝑉𝐿 . 𝐼∗) =

|𝑉𝐸 |2

2

𝑅𝐿

(𝑅𝐿+ 𝑅𝐺 )2 + (𝑋𝐿 + 𝑋𝐺 )2 …......... (3.21)

La valeur du couple (𝑅𝐿,𝑋𝐿) qui maximise 𝑃𝐿 est obtenue par un calcul aux dérivées partielles. O n

trouve :

𝑅𝐿 = 𝑅𝐺 𝑒𝑡 𝑋𝐿 = − 𝑋𝐺

On en déduit que le générateur délivre sa puissance maximum s’il est chargé par son impédance

conjuguée. Dans ce cas, cette puissance s’appelle la puissance disponible et vaut :


42

𝑍𝐺 = 𝑍𝐿∗ ⇔ 𝑃𝐿 =

|𝑉𝐸 |2

8𝑅𝐺 ……………….. (3.22)

L’objectif sera donc de charger chaque élément par son impédance conjuguée, afin de favoriser le

transfert de puissance. Cette opération s’appelle l’adaptation.

2.5. Linéarité des amplificateurs RF

A faible niveau, le fonctionnement de l’amplificateur est proche du fonctionnement linéaire

cependant, à fort niveau, les signaux de sortie subissent des distorsions dues aux conversions d’amplitude

AM/AM et de phase AM/PM. Les sources de courants sont principalement responsables de la variation

d’amplitude du signal de sortie en fonction du niveau du signal d’entrée et les capacités non linéaires

induisent un déphasage du signal de sortie également en fonction du niveau du s ignal d’entrée.

2.5.1. Distorsion dues aux éléments radiofréquences

On distingue deux types de distorsions : la distorsion linéaire et la distorsion non linéaire.

2.5.1.1. Distorsion linéaire

La distorsion linéaire est provoquée par les éléments radiofréquence linéaires. Le régime linéaire est

considéré comme un fonctionnement avec une amplitude du signal limitée et un rapport signal/bruit

suffisant.

2.5.1.2. Distorsion non linéaire

Ces distorsions sont créées par des éléments non linéaires qui subissent une variation dynamique du

niveau de puissance en entrée. L’élément le plus critique pouvant engendrer ce type de distorsions est

l’amplificateur de puissance.

Ces effets non linéaires sont caractérisés par deux grandeurs appelées compression AM/AM (figure 3.7.) et

conversion AM/PM (figure 3.8.).


43

Figure 3.7: Compression AM/AM Figure 3.8: Conversion AM/PM.

3. Les technologies et les composants

L’électronique RF forme la base des circuits entrant dans les systèmes et services modernes de

télécommunications, comme les communications mobiles et satellites, internet …

La technologie CMOS répond parfaitement aux spécifications techniques, que ce soit en termes de haut

intégration, faible consommation, faible cout.

3.1. La technologie CMOS RF

La technologie utilisée pour les circuits intégrés RF réalisés sur le silicium. La technologie CMOS

permet de disposer de composants de type P-MOS et N-MOS sur le même substrat. Elle est utilisée pour les

circuits numériques et analogiques RF.

Les avantages de la technologie CMOS sont un faible cout, une bonne compatibilité avec les circuits

numériques, une fréquence de fonctionnement élevée, une bonne linéarité.

En revanche, les inconvénients sont une faible transconductance et un bruit en 1/f élevé.

3.2 Circuits intégrés logiques CMOS (Complementary Métal Oxyde Semi-conducteur)

Ces circuits sont réalisés à partir de transistors à effet de champ de type MOS. Ils sont plus faciles à

fabriquer que les circuits de type TTL, permettent une plus grande intégration à grande échelle. Leur

principal inconvénient est leur vitesse de fonctionnement relativement faible par rapport à celle de la famille

bipolaire.


44

3.2.1 Le transistor MOS à canal n

La figure 3.9 montre une coupe schématisée d’un transistor MOS à canal n, qu’on appelle aussi

transistor NMOS, sous la surface d’un substrat de silicium légèrement dopé de type p, l’on crée deux zones

fortement dopées de type n, ce qui et représente par le symbole n+.

Figure 3.9 : Coupe schématisée d’un transistor N-MOS.

Ces deux zones sont appelées respectivement la source (S) et le drain (D) du transistor. La grille (G).

La figure 3.10 représente le symbole de transistor N-MOS.

Figure 3.10 : Symbole de transistor N-MOS.

Fonctionnement : Cet élément est caractérisé par les tensions 𝑉𝐺𝑆 = 𝑉𝐺 -𝑉𝑆 ,𝑉𝐷𝑆 =𝑉𝐷 -𝑉𝑆 , la seconde

toujours positive, et par le courant𝐼𝐷𝑆 , soit le courant conventionnel positif drain-source. Le transistor

(Figure 3.11.) conduit ou passant lorsque 𝑉𝐺𝑆 > 𝑉𝑇 . Il est bloqué lorsque 𝑉𝐺𝑆 < 𝑉𝑇 .

Figure 3.11 : Fonctionnement de transistor N-MOS


45

3.2.2 Le transistor MOS à canal P

La figure 3.12 montre une coupe schématisée d’un transistor MOS à canal p, qu’on appelle aussi

transistor P-MOS, sous la surface d’un substrat de silicium légèrement dopé de type n, l’on crée deux zones

fortement dopées de type p, ce qui et représente par le symbole p+.

Figure 3.12 : Coupe schématisée d’un transistor P-MOS.

Ces deux zones sont appelées respectivement la source (S) et le drain (D) du transistor. La grille (G).

La figure 3.13 représente le symbole de transistor P-MOS.

Figure 3.13 : Symbole de transistor P-MOS

Fonctionnement : Cet élément est caractérisé par les tensions 𝑉𝐺𝑆 = 𝑉𝐺 -𝑉𝑆 ,𝑉𝐷𝑆 =𝑉𝐷 -𝑉𝑆 , la seconde

toujours négative, et par le courant positive 𝐼𝐷𝑆, soit le sourant conventionnel positif drain-source.

Le transistor (Figure 3.14.) est passant lorsque 𝑉𝐺𝑆 < 𝑉𝑇 . Il est bloqué lorsque 𝑉𝐺𝑆 > 𝑉𝑇 .

Figure 3.14 : Fonctionnement de transistor P-MOS


46

3.2.3. Transistor CMOS

La figure 3.15 montre une coupe schématisée d’un transistor CMOS, qui un ensemble de deux transistors

MOS type N et type P.

Figure 3.15: Coupe schématisée d’un transistor CMOS.

Fonctionnement :

En fonctionnement normal, les deux transistors (figure 3.16) sont simultanément conducteurs.

Figure 3.16 : Transistor CMOS

4. Le choix de la classe C

Le choix aura principalement des conséquences sur les caractéristiques électriques de l’amplificateur

et particulièrement sur le rendement et la linéarité et le fonctionnement aux fréquences élevées.


47

4.1. Utilisation de l'amplificateur classe C

Ils sont utilisés comme multiplicateur de fréquence. L’une des propriétés intéressantes de

l’amplificateur en classe C saturé est que la tension de crête de l’onde sinusoïdale HF de sortie est

directement proportionnelle à la tension d’alimentation (𝑈Crête = α𝑉𝑏 ). Lors du fonctionnement en mode

saturé classique, la valeur de la constante de proportionnalité, est approximativement égale à 0,9.

L’amplificateur en classe C est donc équivalent à un multiplicateur de tension

Ils sont plus couramment utilisés dans les émetteurs radio, où le taux de distorsion peut être réduit

grâce à l’utilisation d’une charge accordée dans l’amplificateur. Le signal d’entrée est utilisé pour faire

commuter le composant actif de passant à bloqué. Cette tension pulsée crée un courant à travers un circuit

accordé. Le circuit accordé ne résonne que pour une gamme de fréquences, éliminant ainsi les fréquences

non désirées.

Les amplificateurs de classe C sont aussi utilisés pour réaliser des amplificateurs ultrasoniques,

hautes fréquences sélectifs et micro-ondes ainsi que des oscillateurs hautes fréquences.

On les utilise pour obtenir un bon rendement en général le rendement typique d’un amplificateur en

classe C est de 75-78 %.

Conclusion

Les principales caractéristiques concernant les éléments des amplificateurs RF CMOS sont le gain

en puissance, la stabilité, la linéarité, la puissance RF, le rendement et le bruit basse fréquence.

Conclusion

Générale

CONCLUSION GÉNÉ RALE

48

Conclusion générale

Ce modeste travail nous a permis de combler nos lacunes et d’approfondir

nos connaissances dans des domaines vastes et très importants en électroniques des

radiofréquences.

A travers cette étude, nous avons pu étudier les différents types des

amplificateurs de puissance et Radiofréquence CMOS, en puissance Classe C.

On a remarquée que la technologie CMOS et une technologie très avancée

et très utilisée en haute fréquence. Et même la classe C et toujours utilisable

avec la radiofréquence CMOS.

L’étude détaillée d’un exemple de circuit amplificateur de puissance

radiofréquence ne figure pas dans ce mini projet à cause du fait que les schémas

disponibles dépassent nos connaissances actuelles.

On note enfin, que notre étude est destinée au chercheurs et réalisateurs de

Radiofréquence pour simplifier leurs travails, il est souhaitable d’élargir ce

genre d’étude pour une utilisation étendue en télécommunication par

Radiofréquence.

Bibliographie

BIBLIOGRAPHIE

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31558202 Amplificateur RF CMOS Puissance Classe C