Amplificateur de Puissance

FI IM OL f = f + f+ FI RF OL Entrée Sortie Sortie

F. III.10. Fréquence Image dans un Mélangeur

L’élimination de cette fréquence parasite peut se réaliser soit à l’aide de filtrage, soit en utilisant des structures particulières de mélangeurs (à réjection de fréquence image) lorsqu’un simple filtrage ne suffit pas.

III.3.4 Amplificateur de Puissance

Un signal transitant sur un système de télécommunication, après les différentes étapes de codage, de modulation et de translation en fréquence porteuse, est amplifié pour résister à l’atténuation provoquée par la propagation dans le canal.

L’amplification est une opération non-linéaire caractérisée par la compression en am-plitude (AM/AM) et par le déphasage du signal à la sortie de l’amplificateur (AM/PM). Un autre phénomène lié à l’amplificateur de puissance est représenté par l’effet mémoire. La relation entrée-sortie, appelée aussi caractéristique non-linéaire de transfert, a une allure typique pour tous les amplificateurs de puissance. La courbe de la figure III.11(a) montre la variation de la puissance de sortie en fonction de la puissance d’entrée, appelée aussi la caractéristique amplitude/amplitude ou encore la compression AM/AM.

En outre sur cette courbe, nous avons mis en évidence les trois principales zones de travail de l’amplificateur,

– Zone linéaire : le signal d’entrée est de faible puissance, la distorsion produite dans cette zone est très faible. Le gain est constant et supérieur à 1 (pente de la caractéristique AM/AM).

– Zone de compression: à forte puissance d’entrée, le gain de l’amplificateur décroît. C’est la zone de compression du gain. La distorsion du signal est alors importante et une génération de harmoniques ainsi que de produits d’intermodulation est ob-servée à la sortie. Le point où l’écart entre la courbe de gain et le gain linéaire vaut 1 dB est une caractéristique de l’amplificateur appelée point de compression à 1 dB,

P₁dB.

– Zone de saturation : à partir d’une certaine puissance d’entrée, la puissance de sortie devient quasiment constante et la courbe de gain décroît linéairement. La sa-turation se manifeste par un écrêtage du signal de sortie. La puissance de sasa-turation en sortie est, elle aussi, une caractéristique de l’amplificateur désignée parPsat. La courbe exprimant le déphasage entre la sortie et l’entrée est appelée caractéristique amplitude/phase, ou aussi conversion AM/PM. La conversion AM/PM n’a pas une vraie allure de référence. Elle varie suivant la technique de conception et les conditions de fonctionnement de l’amplificateur [CRIPP1999]. Juste à titre d’exemple, la distorsion AM/PM est représentée de façon générale en figure III.11(b). Un signal traversant un amplificateur subit alors à la fois la compression AM/AM et la conversion AM/PM.

Ensuite, un amplificateur est assujetti à l’effet mémoire si à un instant donné le signal à sa sortie dépend du signal à l’entrée à ce même instant et aux instants précédents. Cela se traduit par une dépendance en fréquence de ses caractéristiques. Ainsi, pour une certaine puissance d’entrée, la puissance de sortie varie en fonction de la fréquence du signal [VUOL2003], [SOUR2002].

Ce phénomène est dû à l’emmagasinement de l’énergie dans le composant. Cette énergie peut être emmagasinée sous une forme électrique ou sous une forme thermique.

C’est la constante de temps de la charge et la décharge de cette énergie qui détermine la gamme de fréquence où agit l’effet mémoire.

P [dBm]_IN P [dBm] : AM/AMOUT Linéaire Compress . Saturation 1 dB P_1dB P_sat

(a) Caractéristique Non-Linéaire du « PA » (AM/AM) et Zones de Travail

P [dBm]_IN : AM/PM

DF

(b) Caractéristique AM/PM

F. III.11. Distorsions Non-Linéaires AM/AM et AM/PM

III.3.4.2 Les modèles

Parmi les différents modèles comportementaux des amplificateurs de puissance, nous en avons retenus deux :Polynomialet deSaleh.

Modèle Polynomial

Le modèle comportemental de type polynomial (sans mémoire) est défini par l’équa-tion (III.39) qui représente un polynôme d’ordren.

vs(t)=a₁ve(t)+a₂v²_e(t)+a₃v³_e(t)+...+a_nvⁿ_e(t) (III.39) Les coefficients a_i déterminent la caractéristique non-linéaire de l’amplificateur. De façon plus générale, écrivons le signal d’entrée sous sa forme analytique, c’est à dire sous forme d’une expression complexe :

Ve(t)=|Ve(t)_|ej(ωct+φ(t)) (III.40) La partie réelle de Ve(t) est l’expression mathématique du signal réel émis [cf. éq. (III.41)] et le signal de sortie est lié au signal d’entrée par l’équation (III.42) :

ve(t)=ℜ[Ve(t)]=|Ve(t)_|cos(ω_ct+φ(t)) (III.41) vs(t)=A[_|Ve(t)_|] cos(ωct+φ(t)+Φ[_|Ve(t)_|]) (III.42)

Les termes A[_|Ve(t)_|] et Φ[_|Ve(t)_|] décrivent le comportement de la fonction de com-pression AM/AM et de la fonction de conversion AM/PM respectivement. La courbe de compression AM/AM est une courbe de saturation comme montré en figure III.11(a) et, étant la courbe de conversion AM/PM une caractéristique intrinsèque à l’amplificateur, elle se présente de façon générale comme en figure III.11(b).

Modèle de Saleh

Le modèle bande de base de Saleh (sans mémoire) est défini par les deux équations suivantes [SALE1981] : A[u_x]= α_au_x 1+βau2 x Φ[u_x]= α_φu2 x 1+βφu2 x (III.43) Dans l’équation (III.43), A[ux] et Φ[ux] représentent la compression AM/AM et la conversion AM/PM respectivement, où u_x est le module du signal d’entrée du « PA » [DURN2004]. La figure III.12 donne un exemple de la compression AM/AM et de la conversion AM/PM pour le modèle de Saleh.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Modèle de Saleh: AM/AM

Vin [V] Vout [V] (a) Caractéristique AM/AM 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 5 10 15 20 25 30

Modèle de Saleh: AM/PM

Vin [V]

Déphasage [°]

(b) Caractéristique AM/PM

F. III.12. Distorsions Non-Linéaires AM/AM et AM/PM (Saleh)

Enfin, dans ces deux modèles analytiques (polynomial et Saleh) présentés ci-dessus, le choix des coefficients a_i et (α, β) sert à modéliser la non-linéarité de l’amplificateur. Autrement dit, ces coefficients modifient les caractéristiques AM/AM et AM/PM selon le modèle comportemental choisi pour le « PA ».

Dans notre étude, le choix du modèle caractérisant les non-linéarités de l’amplifica-teur de puissance RF vise le modèle polynomial (sans conversion AM/PM et sans effet

mémoire). Ce modèle très classique, s’adapte mieux aux caractéristiques radiofréquences des signaux traités. Le modèle de Saleh, étant en bande de base, ne représentait pas un bon choix.

III.3.4.3 Caractéristiques Électriques Compression

Comme nous avons déjà vu ci-dessus, l’amplificateur de puissance contenant des com-posants actifs, possède une courbe de puissance P_out = f[Pin] qui présente une zone de compression. Celle-ci est caractérisée par le point de compression à 1 dB (P₁dB), défini comme étant la puissance d’entrée RF pour laquelle le gain linéaire (sans compression) est réduit de 1 dB [§ III.2.3].

Point d’interception d’ordre 3

Parmi les produits d’intermodulation générés à la sortie du mélangeur, ceux dont l’ordre est impair représentent la principale source de perturbation car ils se situent en proximité et même dans la bande du signal utile. Dans ce cas tout type de filtrage ne suffit pas pour éliminer ces signaux parasites. Les produits d’intermodulation d’ordre 3 sont les plus significatifs car les amplitudes d’ordre impair supérieur deviennent de plus en plus petites et, donc, négligeables.

Le point d’interception d’ordre 3 (IP3) est le point où l’amplitude du produit d’in-termodulation d’ordre 3 est égale à l’amplitude du signal utile lorsque l’amplitude des signaux d’entrée interférents est la même [§ III.2.5].

Dynamique

La dynamique d’un dispositif électronique est définie comme la plage de puissance garantissant un fonctionnement satisfaisant. Ce sont les puissances comprises entre le plancher de bruit et la compression. La dynamique d’un « PA » sera donc d’autant plus grande que sonIP3 et son point de compression à 1 dB, seront importants.

« Input Back-Off»

Le « Input Back-Off » (« IBO ») représente l’écart entre la puissance moyenne du signal à amplifier (Pin

m) et la puissance de saturation vue en entrée de l’amplificateur (Pin sat) :

IBO[dB]= Pin

sat [dBm]₋Pin

Ce paramètre caractérise l’amplificateur en termes de recul par rapport à la puissance moyenne du signal d’entrée. Par exemple, lorsqu’on parle de signal à enveloppe non-constante, il faut que le rapport entre sa puissance pic et sa puissance moyenne (« PAPR ») soit inférieur à l’« IBO » pour ne pas saturer le signal à amplifier.

Rendement

L’amplification est une opération qui nécessite un certain apport énergétique afin que les composants actifs fonctionnent dans leur zone de travail : c’est la puissance d’ali-mentation, Palim. Pour un amplificateur, le rapport entre la puissance délivrée (Pout) et la puissance consommée (Palim) définit donc son rendementη[%] :

η= P_out

P_alim (III.45)

Ce paramètre est d’autant important qu’il rend compte de la consommation de l’am-plificateur. Le rendement dépend ensuite de la classe de fonctionnement de l’amplificateur et de la technologie utilisée pour la réalisation des composants. Par exemple, le rendement théorique d’un « PA » en classe A est inférieur ou égal à 50% tandis qu’en classe B est de l’ordre de 70%.