FR2759508A1 - Amplificateur distribue - Google Patents

Abstract

Amplificateur distribué comportant une pluralité de transistors à effet de champ reliés à une ligne de grille et une ligne de drain, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux lignes de grille reliées par deux séries de transistors à effet de champ à une ligne de drain commune.

Description

La présente invention est relative aux amplificateurs distribués.

Plus particulièrement, l'invention concerne une structure d'amplificateur distribué capable de fournir une intensité de courant plus importante (par exemple doublée) qu'un amplificateur distribué classique, ce pour une amplitude de tension identique à l'entrée.

L'invention trouve avantageusement application pour les télécommunications ou l'instrumentation hyperfréquence.

En particulier, la structure d'amplificateur distribué proposée par l'invention peut être utilisée pour le pilotage de modulateurs électro-optiques sous plusieurs volts (typiquement 3 volts ou plus) pour les transmissions à haut débit sur fibre optique (40 gigabits/s). De tels modulateurs électro-optiques sont par exemple utilisés dans les têtes d'émission optique pour obtenir des impulsions très courtes qui portent la modulation binaire émise.

Egalement, la structure d'amplificateur distribué proposée par l'invention peut être utilisée dans des émetteurs radio. Notamment, dans le cas où la dispersion de fréquence est utilisée, les bandes passantes du signal à émettre peuvent être larges et la structure proposée par l'invention permet de fournir un étage de sortie à forte puissance.

Dans le domaine de l'instrumentation hyperfréquence, la structure d'amplificateur distribué proposée par l'invention est par exemple utilisée comme amplificateur de sortie d'une source de puissance d'un appareil tel qu'un synthétiseur de fréquence, pour lequel il peut être intéressant de disposer d'un amplificateur très large bande à forte puissance (et très linéaire) pour augmenter notamment la dynamique des signaux fournis par appareil.

D'une façon générale, l'invention est avantageusement utilisée pour les applications de puissance large bande et linéaire.

On rappelle que les amplificateurs distribués sont des structures à fort produit gain-bande, surtout pour des fréquences de coupure élevées qui s'approchent des fréquences de coupures des transistors.

L'invention a pour but, toutes choses égales par ailleurs, d'augmenter le courant de sortie d'un amplificateur distribué, en gardant une excellente adaptation à l'impédance de sortie.

On a représenté sur la figure 1 le montage d'une structure d'amplificateur distribué classique.

Un tel montage comporte une pluralité de transistors T à effet de champ (trois dans l'exemple représenté), dont les grilles sont reliées chacune à un point d'une ligne de grille - qui s'étend entre un point d'entrée du montage et une résistance Rg reliée à la masse - et dont les drains sont reliés chacun à un point d'une ligne de drain - qui s'étend entre une résistance Rd reliée à la masse et un point de sortie du montage -, les points de liaisons des transistors T sur la ligne de drain se succédant sur ladite ligne dans le même ordre que les points de liaison desdits transistors sur la ligne de grille.

Les sources des transistors T sont reliées à la masse. Les éléments de polarisation (courant total de drain) n'ont pas été représentés pour ne pas alourdir la figure.

L'impédance et la longueur électrique Lg de chaque tronçon de la ligne de grille entre deux points successifs de liaison aux transistors T est constante sur toute ladite ligne. L'entrée est reliée au premier transistor et le dernier transistor est relié à la résistance Rg chacun par un tronçon de même impédance et de longueur électrique moitié de Lg.

De même, l'impédance et la longueur électrique Ld de chaque tronçon de la ligne de drain entre deux points successifs de liaison aux transistors T est constante sur toute ladite ligne. La résistance Rd est reliée au premier transistor et le dernier transistor est relié à la sortie chacun par un tronçon de même impédance et de longueur électrique moitié de Ld.

Les impédances des tronçons Lg et Ld sont choisies en fonction des impédances caractéristiques de drain et de grille Zg et Zd souhaitées pour le montage, ainsi qu'en fonction des transistors T.

Les impédances et les longueurs électriques des tronçons de ligne de grille, des tronçons de lignes de drain, ainsi que la largeur de chacun des transistors sont respectivement égaux entre eux dans l'exemple de la figure 1 (excepté les tronçons d'entrée et sortie qui sont moitié en longueur). Ces paramètres peuvent cependant être modulés pour obtenir une forme particulière de la courbe de gain (1s211) en fonction de la fréquence, ou pour compenser d'éventuels défauts dus à la non idéalité de certains éléments (transistors).

La liaison entre le drain d'un transistor T et la ligne de drain est dans certains cas réalisée par l'intermédiaire d'un autre transistor à effet de champ (représenté en pointillés sur la figure 1), qui est relié par sa source au drain du transistor T et par son drain à la ligne de drain du montage, sa grille étant quant à elle reliée à la masse.

Ce deuxième transistor est facultatif, mais est fréquemment utilisé car il améliore les caractéristiques de l'amplificateur. Le montage alors réalisé est dit cascode ou bi-grille.

Le fonctionnement d'un amplificateur distribué du type de celui illustré sur la figure 1 est le suivant.

Le signal d'entrée appliqué en entrée se propage sur la "ligne de grille" pour être absorbé par la charge
Rg. Sur chaque grille de transistor passe donc une onde de tension, se propageant de la gauche vers la droite, sur la figure 1. Un courant est alors généré par chaque transistor T. Il alimente la ligne de drain. Ce courant se propage pour moitié vers la charge Rd et pour moitié vers la sortie. La moitié qui va vers la sortie se superpose avec la même phase, pourvu que le temps de propagation intercellule soit identique sur la ligne de drain et sur la ligne de grille. L'amplification est alors la somme des amplifications réalisées par chaque transistor. Cette amplification est à très large bande passante, car elle commence depuis le continu jusqu'aux fréquences de coupures des filtres LC réalisés par les lignes de grille et de drain avec les capacités parasites des transistors.

Ces fréquences de coupures peuvent être très hautes, de plusieurs dizaines de gigahertz à la centaine de gigahertz avec des conceptions appropriées.

La charge Rd doit absorber le mieux possible l'onde rétropropagée, car sinon elle repart vers la sortie, créant des ondulations sur la réponse fréquentielle, ou des échos sur la réponse impulsionnelle.

Une contrainte similaire existe sur Rg. Cela signifie que les charges Rg et Rd sont respectivement accordées (égales) aux impédances Zg et Zd.

Dans tout le présent texte, les termes "courant" ou "tension" font référence à la composante modulée. Comme les amplificateurs sont à large bande passante, la fréquence de cette modulation se situe du continu jusqu'à plusieurs dizaines de gigahertz, par exemple.

D'une façon générale, le courant maximum (modulation) qu'un transistor à effet de champ est capable de fournir est proportionnel à sa largeur.

Obtenir une forte puissance de sortie, à impédance de fonctionnement donnée, revient à augmenter le courant de sortie (P = R.12). Cela revient donc à augmenter la largeur de grille totale des transistors connectés à la ligne de drain, soit en augmentant la largeur de chaque transistor, soit en augmentant le nombre de transistors.

Toutefois, le nombre de transistors connectables à la ligne de drain (ou bien leur largeur totale) est limité car, sur la ligne de grille, le signal propagé s'atténue fortement, surtout en fin de bande passante (figure 10) avec une perte en dB proportionnelle au nombre de cellules rencontrées.

C'est ce qu'on a illustré sur la figure 2 qui est un graphe sur lequel on a porté en fonction de la fréquence le coefficient de transmission (en dB électrique) le long de la ligne de grille et de la ligne de drain, pour un amplificateur distribué du type de celui illustré sur la figure 1.

Ce graphe montre que les pertes de propagation sont bien plus grandes sur la ligne de grille que sur la ligne de drain. La perte est ici de 10 dB à 40 GHz. Cela signifie que les derniers transistors de l'amplificateur ne voient que le tiers de la tension d'entrée à 40 GHz.

Les pertes de propagation le long de la ligne de la grille sont donc importantes. Côté drain, les pertes de propagation sont beaucoup plus faibles.

A impédance donnée, et à technologie de transistor donnée, on arrive donc à une limitation sur le nombre de transistors, c'est-à-dire sur le courant de sortie et par conséquent sur la puissance de sortie.

L'invention proposée permet, toutes choses égales par ailleurs, d'augmenter substantiellement cette limitation de courant, notamment de la doubler - auquel cas la puissance de sortie est quadruplée.

La solution selon l'invention consiste à ajouter au moins une seconde ligne de grille - et les cellules transistor associées - et à en connecter les drains à la ligne de drain du premier amplificateur.

On dispose ainsi de deux (voire plus) montages d'amplificateur distribué, tels qu'illustrés sur la figure 1, avec une ligne de drain commune.

Plus précisément, l'amplificateur distribué proposé par l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux lignes de grille reliées par deux séries de transistors à effet de champ à une ligne de drain commune.

Comme on l'aura compris, cette solution prend en compte le fait que dans un montage amplificateur distribué classique, les limitations viennent plus de la ligne de grille que de la ligne de drain, les résistances parasites vues de côté de la grille ayant un rôle important, tandis que du côté du drain, les éléments parasites résistifs sont beaucoup plus négligeables (surtout si le transistor est utilisé en montage cascode).

Egalement, elle exploite le fait que la capacité parasite côté drain est beaucoup plus faible que celle côté grille, ce qui signifie que l'on dispose de plus de liberté côté drain pour obtenir l'impédance désirée. On peut en particulier ajouter des capacités parasites en plus sur le drain en laissant l'impédance globale inchangée.

Le montage proposé par l'invention a alors, à bande passante conservée (ctest-à-dire celle de l'amplificateur distribué classique), la possibilité de fournir un courant au moins doublé, cela pour une amplitude de tension sur chaque entrée identique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Elle est purement illustrative et non limitative.

Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1, déjà analysée, illustre le montage d'un amplificateur distribué conforme à un art antérieur connu
- la figure 2, également déjà analysée, est un graphe sur lequel on a porté en fonction de la fréquence le coefficient de transmission d'un amplificateur distribué du type de la figure 1
- la figure 3 illustre le montage aval d'un amplificateur distribué conforme à un mode de réalisation possible de l'invention
- la figure 4 illustre le montage de pilotage amont d'un amplificateur distribué conforme à un mode de réalisation de l'invention
- la figure 5 illustre un montage d'amplificateur distribué conforme à un mode de réalisation possible de l'invention, comportant en série les montages des figures 3 et 4
- la figure 6 illustre un montage de l'art antérieur comportant deux amplificateurs distribués en série
- la figure 7 illustre une variante de réalisation possible pour le montage de la figure 5
- les figures 8 et 9 sont des représentations semblables à celles des figures 3 et 4 illustrant d'autres montages possibles pour les parties aval et amont d'un amplificateur distribué conforme à un mode de réalisation possible de l'invention
- les figures 10a et lOb sont des graphes sur lesquels on a porté les coefficients de réflexion électrique pour un amplificateur distribué correspondant au montage de la figure 6
- les figures 11a et lîb sont des graphes semblables à ceux des figures 10a et lOb pour un amplificateur distribué du type de celui de la figure 5.

Le montage aval d'un amplificateur distribué conforme à l'invention a été illustré sur la figure 3. Un tel montage comporte une ligne de drain reliée à deux lignes de grille pour constituer deux montages d'amplificateur distribué, avec une ligne de drain commune.

Dans la variante illustrée sur cette figure 3, les points par lesquels la ligne de drain est reliée à la première ligne de grille sont confondus avec les points par lesquels ladite ligne de drain est reliée à la deuxième ligne de grille.

Le pilotage d'un tel montage amplificateur à deux entrées nécessite en amont une structure similaire, à une entrée et deux sorties, c'est-à-dire un montage constitué de deux montages d'amplificateur distribué classiques présentant une ligne de grille en commun. Un montage en ce sens est illustré sur la figure 4.

On a représenté sur la figure 5 un montage constitué par ces deux amplificateurs en série. Un tel montage constitue un amplificateur à gain comparable à deux amplificateurs classiques cascadés (figure 6), mais pour lequel le courant de sortie maximum du second amplificateur est doublé.

Une simulation en régime grand signal a été réalisée et permet de le vérifier. Cette simulation correspond au tableau ci-après sur lequel on a porté les valeurs crête à crête des tensions obtenues en simulation, sur 50 Q, pour les structures classiques et proposées. La dernière colonne donne l'amplitude du signal appliqué sur l'entrée d'un amplificateur distribué classique ou sur les entrées du montage amplificateur de la figure 3.
TABLEAU

<tb> Ampli <SEP> Classique <SEP> Invention <SEP> Signal <SEP> en
<tb> <SEP> Ampli <SEP> Classique <SEP> Invention <SEP>
<tb> <SEP> début <SEP> de <SEP> saturation <SEP> 0 <SEP> <SEP> 3 <SEP> v <SEP> 6 <SEP> V <SEP> 1 <SEP> V
<tb> <SEP> forte <SEP> saturation <SEP> 4 <SEP> V <SEP> 8 <SEP> V <SEP> 2 <SEP> V
<tb>
D'autres variantes de réalisation sont bien entendu envisageables.

Notamment, une variante possible pour le circuit de pilotage est illustrée sur la figure 7. Selon cette variante, le circuit de pilotage est un montage amplificateur distribué classique dont la sortie est reliée aux deux entrées d'un montage du type de celui de la figure 3.

L'impédance de drain (Zdl) d'un tel circuit de pilotage est choisie de façon à correspondre à la moitié de l'impédance d'entrée Zg2 du circuit aval, pour que les deux lignes d'entrée branchées en parallèle ramènent une impédance moitié (Zg2/2).

En variante encore, ainsi qu'illustré sur la figure 8, les points de la ligne de drain du montage aval reliant respectivement ladite ligne de drain à l'une et l'autre des lignes de grilles, par l'intermédiaire des transistors, sont décalés dans la longueur de la ligne de drain, ce qui permet de mieux répartir les capacités parasites et de faciliter l'implantation du circuit.

De même, ainsi qu'illustré sur la figure 9, lorsque le montage amont est du type de celui de la figure 4, les points de la ligne de grille commune reliant respectivement ladite ligne de grille à l'une et l'autre des lignes de drain, par l'intermédiaire des transistors, sont décalés dans la longueur de la ligne de grille.

En variante encore, les amplificateurs distribués conforme à l'invention peuvent comporter plus de deux lignes de grille reliées à une ligne de drain commune.

Physiquement, deux lignes de grille sont disposées de part et d'autre de la ligne de drain, dans une implantation bi-dimensionnelle sur un circuit imprimé ou sur un circuit intégré, les autres lignes de grille pouvant par exemple être implantées dans un autre plan, et connectées par des ponts entre les deux plans.

En variante, les différentes lignes peuvent être implantées dans le même plan, avec des connexions allongées pour interconnecter la ligne de drain aux transistors éloignés.

L'invention est par exemple mise en oeuvre à partir d'une technologie de circuits intégrés monolithiques micro-ondes (MMIC) comportant des transistors à effet de champ rapides (PHEMT), des lignes de transmission (rubans métalliques), des résistances, des capacités, par exemple, mais non limitativement, sur
Arséniure de Gallium (GaAs) ou sur phosphure d'indium (InP)
L'invention peut également être mise en oeuvre à partir de technologies hybrides, de transistors rapportés.

Par rapport à la structure classique, à nombre de transistors égal (et à largeur de grille égale), le fait de répartir les transistors sur deux lignes de grille réduit la longueur de chaque ligne de grille, donc les pertes. Une fréquence de coupure haute améliorée peut alors être obtenue. La bande passante est donc améliorée.

On se réfère maintenant aux figures 10a, lOb et 11a, 11b.

On a porté sur les figures 10a, lOb les coefficients de réflexion électrique 1S211, S1ll et IS221 de deux amplificateurs distribués classiques cascadés (montage de la figure 6) et l'on a porté sur les figures îîa, llb les mêmes paramètres, pour une structure du type de celle illustrée sur la figure 5.

Sur la figure 11a, le paramètre |S21| est calculé pour impédance de 50 Q (charge de 50 Q en entrée et en sortie), le gain en tension étant alors de 10 (20 dB électriques).

On constate que les bandes passantes comparables à celles obtenues avec des amplificateurs distribués classiques sont possibles.

En outre, la deuxième ligne de transistor montée sur la ligne de drain ne modifie en rien la rapidité du circuit.

Les coefficients de réflexion électrique à l'entrée et à la sortie de la structure de la figure 5, illustrés sur la figure llb montrent qu'une valeur 1S221 meilleure que - 15 dB est obtenue jusqu'à 40 GHz. Par conséquent, la structure proposée permet de conserver une très bonne adaptation d'impédance.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Amplificateur distribué comportant une pluralité de transistors à effet de champ reliés à une ligne de grille et une ligne de drain, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux lignes de grille reliées par deux séries de transistors à effet de champ à une ligne de drain commune.

2. Amplificateur distribué selon la revendication 1, caractérisé en ce que les points par lesquels la ligne de drain est reliée à la première ligne de grille sont confondus avec les points par lesquels ladite ligne de drain est reliée à la deuxième ligne de grille.

3. Amplificateur distribué selon la revendication 1, caractérisé en ce que les points de la ligne de drain au niveau desquels ladite ligne est respectivement reliée, par l'intermédiaire des transistors, aux différentes lignes de grille, sont décalés dans la longueur de la ligne de drain.

4. Amplificateur distribué selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, en amont du montage à au moins deux lignes de grille et une ligne de drain commune, un montage de pilotage pour l'injection d'un signal dans les différentes entrées du montage aval.

5. Amplificateur distribué selon la revendication 4, caractérisé en ce que le montage amont est un amplificateur distribué comportant une pluralité de transistors à effet de champ reliés à une ligne de grille et une ligne de drain, dont la sortie est reliée aux différentes entrées du montage aval.

6. Amplificateur distribué selon la revendication 4, caractérisé en ce que le montage amont comporte au moins deux lignes de drain reliées à une même ligne de grille, les différentes sorties de ce montage amont étant respectivement reliées aux différentes entrées du montage aval.

7. Amplificateur distribué selon la revendication 6, caractérisé en ce que pour le montage amont, les points de la ligne de grille au niveau desquels ladite ligne est respectivement reliée, par l'intermédiaire des transistors, aux différentes lignes de drain sont décalés dans la longueur de la ligne de grille.

8. Amplificateur distribué selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois lignes de grille implantées sur un circuit imprimé ou intégré dans au moins deux plans distincts.

9. Utilisation d'un amplificateur distribué selon l'une des revendications précédentes dans des dispositifs de télécommunications.

10. Utilisation d'un amplificateur distribué selon l'une des revendications 1 à 8 dans des dispositifs d'instrumentation hyperfréquence.