Comprendre les bases des amplificateurs de puissance et à faible bruit dans les conceptions sans fil

Les contraintes de performances, de miniaturisation et de fonctionnement à haute fréquence remettent en question les limites de deux composants essentiels à connexion par antenne d'un système sans fil : l'amplificateur de puissance (PA) et l'amplificateur à faible bruit (LNA). Cette transition a été stimulée par les efforts de mise en place de la 5G, ainsi que par l'utilisation d'amplificateurs de puissance et à faible bruit dans les stations VSAT, les liaisons à faisceaux hertziens et les systèmes radars à balayage électronique.

Ces applications exigent notamment la réduction du bruit (pour l'amplificateur à faible bruit) et un meilleur rendement (pour l'amplificateur de puissance), ainsi qu'un fonctionnement à des fréquences supérieures, jusqu'à 10 GHz et au-delà. Pour satisfaire ces demandes croissantes, les fabricants d'amplificateurs de puissance et à faible bruit migrent des processus traditionnels entièrement en silicium vers l'arséniure de gallium (GaAs) pour les amplificateurs à faible bruit et vers le nitrure de gallium (GaN) pour les amplificateurs de puissance.

Cet article détaille le rôle et les exigences des amplificateurs à faible bruit et de puissance, ainsi que leurs principales caractéristiques, puis présente les dispositifs GaAs et GaN standard, ainsi que les critères essentiels à prendre en compte pour les utiliser dans une conception.

Le rôle critique de l'amplificateur à faible bruit

La fonction de l'amplificateur à faible bruit est d'acquérir le signal incertain et extrêmement faible de l'antenne, généralement de l'ordre de microvolts ou en dessous de -100 dBm, puis de l'amplifier à un niveau plus approprié, d'environ un demi-volt à un volt (Figure 1). À titre d'exemple, dans un système de 50 Ω, une valeur de 10 μV équivaut à -87 dBm et 100 μV à -67 dBm.

Même si fournir ce gain ne constitue pas un défi majeur dans l'électronique moderne, l'opération peut être sévèrement compromise par tout bruit que l'amplificateur à faible bruit peut ajouter à un faible signal d'entrée. Ce bruit peut anéantir tous les bénéfices de l'amplification ajoutée par l'amplificateur à faible bruit.

Figure 1 : L'amplificateur à faible bruit sur le chemin de réception et l'amplificateur de puissance sur le chemin de transmission se connectent à l'antenne via un duplexeur, qui sépare les deux signaux pour empêcher que la sortie relativement puissante de l'amplificateur de puissance surcharge l'entrée sensible de l'amplificateur à faible bruit. (Source de l'image : DigiKey)

Il est à remarquer que l'amplificateur à faible bruit fonctionne dans le monde de l'inconnu. En tant que circuit d'entrée du canal de récepteur, il doit capturer et amplifier un signal basse tension à très faible puissance, ainsi que le bruit aléatoire associé que l'antenne lui envoie, dans la bande passante concernée. Dans la théorie des signaux, cela s'appelle le défi de signal inconnu/bruit inconnu, le plus complexe de tous les défis de traitement des signaux.

Pour les amplificateurs à faible bruit, les paramètres principaux sont le facteur de bruit (NF), le gain et la linéarité. Le bruit est causé par des sources thermiques et autres, avec des facteurs de bruit typiques dans la plage de 0,5 à 1,5 dB. Le gain typique se situe entre 10 et 20 dB pour un étage simple. Certaines conceptions utilisent des amplificateurs en cascade avec un étage à faible facteur de bruit et faible gain, suivi par un étage à gain plus élevé qui peut avoir un facteur de bruit plus élevé, mais cela est moins critique une fois que le signal initial a été « acquis ». (Pour en savoir plus sur les amplificateurs à faible bruit, sur le bruit et sur les récepteurs RF, consultez l'article TechZone relatif à l'optimisation de la sensibilité des récepteurs avec des amplificateurs à faible bruit.)

La non-linéarité constitue un autre problème pour les amplificateurs à faible bruit, car la distorsion d'intermodulation et l'harmonique résultantes déforment le signal reçu et rendent sa démodulation et son décodage avec un taux d'erreur sur les bits (TEB) suffisamment faible plus compliqués. La linéarité est généralement caractérisée par un point d'interception du 3e ordre (IP3), qui rattache les produits non linéaires causés par le terme non linéaire du 3e ordre au signal amplifié linéairement. Plus la valeur IP3 est élevée, plus les performances d'amplificateur sont linéaires.

Le rendement et la consommation énergétique de l'amplificateur à faible bruit ne sont généralement pas des critères majeurs. Par nature, la plupart des amplificateurs à faible bruit présentent une consommation plutôt faible d'environ 10 à 100 mA, et un gain de tension aux étages suivants, ne délivrant pas d'alimentation à une charge. De même, comme il n'y a qu'un ou deux canaux d'amplificateur à faible bruit dans le système (le deuxième cas en principe dans les conceptions d'antenne de réception en diversité comme les interfaces Wi-Fi et 5G), les économies générées par l'utilisation d'un amplificateur à faible bruit de basse consommation seraient minimales.

En plus de leur bande passante et de leur fréquence de fonctionnement, il existe un grand nombre de similitudes fonctionnelles parmi les amplificateurs à faible bruit. Certains amplificateurs à faible bruit incluent une commande du gain pour que l'amplificateur puisse gérer une vaste plage dynamique de signaux d'entrée sans surcharge ni saturation. Une telle force du signal d'entrée variable est une occurrence courante dans les applications portables dans lesquelles les pertes de propagation de la station de base au téléphone présentent une plage étendue, même durant un cycle de connexion simple.

Le routage des signaux d'entrée vers un amplificateur à faible bruit et des signaux de sortie qu'il transmet est aussi important que les spécifications du composant en lui-même. Ainsi, les concepteurs doivent utiliser un modèle et des outils de configuration évolués pour exploiter tout le potentiel de performances de l'amplificateur à faible bruit. Un composant de qualité pouvant facilement être endommagé par une mauvaise configuration ou une mauvaise adaptation d'impédance, l'utilisation des abaques de Smith offerts par le fournisseur est donc essentielle (voir « The Smith Chart: An 'Ancient' Graphical Tool Still Vital In RF Design »), de même que des modèles de circuit fiables pour prendre en charge les logiciels de simulation et d'analyse.

Ainsi, la majorité des fournisseurs d'amplificateurs à faible bruit hautes performances fonctionnant dans une plage en GHz offrent une carte d'évaluation ou une configuration de carte à circuit imprimé vérifiée, étant donné que chaque aspect du paramétrage de test est essentiel, notamment la configuration, les connecteurs, la mise à la terre, la dérivation et l'alimentation. Sans ces ressources, les concepteurs perdront du temps dans l'évaluation des performances des composants de leur application.

Le HMC519LC4TR, un dispositif pHEMT de 18 à 31 GHz d'Analog Devices, est un exemple d'amplificateur à faible bruit GaAs (Figure 2). Ce boîtier céramique à montage en surface sans sorties de 4 mm x 4 mm fournit un gain en petits signaux de 14 dB, ainsi qu'un faible facteur de bruit de 3,5 dB et un IP3 élevé de +23 dBm. Sa consommation est de 75 mA depuis une alimentation de +3 V.

Figure 2 : L'amplificateur à faible bruit GaAs HMC519LC4TR fournit un gain avec un faible bruit pour les entrées de bas niveau entre 18 et 31 GHz ; la plupart des branchements du boîtier sont destinés aux rails d'alimentation, à la mise à la terre ou inutilisés. (Source de l'image : Analog Devices)

La conception a évolué du schéma fonctionnel simple à de multiples condensateurs externes de différents types et valeurs, nécessaires pour fournir une dérivation RF adéquate avec un faible niveau de parasites sur les trois alimentations à rail de puissance, désignés V_dd (Figure 3).

Figure 3 : En pratique, l'amplificateur à faible bruit HMC519LC4TR nécessite plusieurs condensateurs de découplage sur ses rails d'alimentation, avec une tension nominale identique, pour fournir la capacité totale du filtrage basse fréquence ainsi que des condensateurs à plus faible valeur pour la dérivation RF afin de réduire les parasites RF. (Source de l'image : Analog Devices)

Ce schéma amélioré mène à la carte d'évaluation, qui détaille la configuration et la nomenclature, notamment l'utilisation de matériel de carte à circuit imprimé non-FR4 [Figures 4(a) et 4(b)].

Figure 4(a)

Figure 4(b)

Figure 4 : Compte tenu des hautes fréquences de fonctionnement des circuits d'entrée de l'amplificateur à faible bruit et des signaux de faible niveau à capturer, une conception d'évaluation détaillée et testée est essentielle. Cela inclut un schéma (non illustré), la configuration de la carte (a) et la nomenclature, avec les caractéristiques des composants passifs et du matériel de circuit imprimé (b). (Source de l'image : Analog Devices)

Le MAAL-011111 de MACOM est un amplificateur à faible bruit GaAs destiné aux fréquences supérieures, qui peut fonctionner entre 22 et 38 GHz (Figure 5). Il offre un gain en petits signaux de 19 dB, ainsi qu'un facteur de bruit de 2,5 dB. Cet amplificateur à faible bruit semble être un dispositif à étage simple, mais comprend en fait trois étages en cascade internes. Le premier étage est optimisé pour les gains moyens et à plus faible bruit, tandis que les suivants fournissent les gains supplémentaires.

Figure 5 : L'amplificateur à faible bruit MAAL-011111 semble être un amplificateur à un étage, mais en interne, il utilise une série d'étages de gains afin d'optimiser le rapport signal/bruit du chemin de signal entrée/sortie, tout en ajoutant un gain significatif à la sortie. (Source de l'image : MACOM)

Comme l'amplificateur à faible bruit d'Analog Devices, le MAAL-011111 ne nécessite qu'une alimentation basse tension et présente un format compact de seulement 3 mm × 3 mm. L'utilisateur peut ajuster ou remplacer certaines spécifications de performances en définissant la tension (alimentation) de polarisation à différentes valeurs entre 3,0 et 3,6 V. La configuration de carte suggérée indique les dimensions requises de la plaque de cuivre du circuit imprimé pour maintenir une adaptation d'impédance et des performances du plan de masse correctes (Figure 6).

Figure 6 : Configuration suggérée pour tirer le meilleur parti du MAAL-011111 de MACOM, tout en fournissant l'adaptation d'impédance d'entrée et de sortie. Notez l'utilisation de plaque de cuivre de circuit imprimé pour les lignes de transmission à impédance contrôlée ainsi que les plans de masse à faible impédance (dimensions en millimètre). (Source de l'image : MACOM)

L'amplificateur de puissance commande l'antenne

Alors que l'amplificateur à faible bruit présente un défi complexe de capture des signaux, l'amplificateur de puissance acquiert un signal relativement puissant avec un rapport signal/bruit très élevé du circuit, et doit amplifier sa puissance. Tous les facteurs généraux du signal sont connus, tels que l'amplitude, la modulation, la forme, le rapport cyclique, etc. On parle de quadrant de signal connu/bruit connu dans le schéma de traitement des signaux, le plus facile à gérer.

Le principal paramètre pour l'amplificateur de puissance est la puissance de sortie à la fréquence donnée, avec un gain s'étendant typiquement de +10 à +30 dB. Tout comme le gain, le rendement constitue un autre paramètre important de l'amplificateur de puissance, mais l'évaluation du rendement est rendue difficile par le modèle d'utilisation, la modulation, le rapport cyclique, la distorsion admissible et d'autres aspects du signal à optimiser. Le rendement des amplificateurs de puissance se situe dans une plage de 30 à 80 %, mais il dépend largement de nombreux facteurs. La linéarité de l'amplificateur de puissance, également critique, est jugée selon le point IP3, tout comme pour l'amplificateur à faible bruit.

Alors que de nombreux amplificateurs de puissance utilisent la technologie CMOS à faibles niveaux de puissance (jusqu'à environ 1 à 5 W), d'autres technologies ont évolué au cours des dernières années et sont également largement utilisées, particulièrement à des niveaux de puissance plus élevés où le rendement est critique à la fois pour la durée de vie des batteries et pour les considérations thermiques. Les amplificateurs de puissance utilisant les technologies GaN offrent un meilleur rendement à des niveaux de puissance et des fréquences plus élevés (typiquement au-dessus de 1 GHz), pour lesquels plusieurs watts ou plus sont requis. Les amplificateurs de puissance GaN sont proposés à des prix compétitifs, particulièrement lorsque le rendement et la dissipation de puissance sont pris en compte.

Le CGHV14800F de Wolfspeed, un dispositif de 1200 à 1400 MHz, 800 W, est représentatif des nouveaux amplificateurs de puissance GaN. La combinaison du rendement, du gain et de la bande passante de cet amplificateur de puissance HEMT est optimisée pour les amplificateurs radars en bande L à impulsions, permettant ainsi aux concepteurs de trouver de nombreux cas d'application, comme les systèmes de contrôle du trafic aérien (ATC), de météorologie, de défense antimissile et de suivi de cible. Utilisant une alimentation de 50 V, il fournit une consommation typique de 50 % ou plus, et il est disponible en boîtier céramique de 10 mm x 20 mm avec des brides métalliques pour le refroidissement (Figure 7).

Figure 7 : L'amplificateur de puissance GaN CGHV14800F, 1200 à 1400 MHz, 800 W en boîtier céramique de 10 mm x 20 mm à brides métalliques, doit répondre simultanément aux exigences RF et de dissipation complexes. Notez les brides de montage pour visser, et non souder, le boîtier à la carte à circuit imprimé pour intégrité mécanique et thermique. (Source de l'image : Wolfspeed)

Le CGHV14800F fonctionne avec une alimentation de 50 V, assurant typiquement un gain de puissance de 14 dB avec un rendement de drain supérieur à 65 %. Comme pour les amplificateurs à faible bruit, les circuits d'évaluation et les conceptions de référence sont essentiels (Figure 8).

Figure 8 : Le circuit de démonstration de l'amplificateur de puissance CGHV14800F nécessite très peu de composants à part le dispositif en lui-même, mais la configuration physique et les considérations thermiques sont critiques ; l'amplificateur est fixé à la carte par des vis et des écrous (sur le dessous, non visibles) à l'aide des brides du boîtier, garantissant l'intégrité du montage et les objectifs thermiques. (Source de l'image : Wolfspeed)

La courbe de détarage de dissipation de puissance (Figure 9) est toute aussi importante parmi les nombreux tableaux de spécifications et courbes de performances. Elle illustre la sortie de puissance nominale disponible par rapport à la température du boîtier, et indique que la puissance maximale autorisée est constante jusqu'à 115°C, puis décroit linéairement jusqu'à la température nominale maximale de 150°C.

Figure 9 : En raison du rôle de générateur de puissance de l'amplificateur de puissance, sa courbe de détarage est nécessaire pour indiquer aux concepteurs la réduction de la puissance de sortie autorisée par rapport à l'augmentation de la température du boîtier. Ici, la puissance nominale chute rapidement après 115°C. (Source de l'image : Wolfspeed)

MACOM offre également des amplificateurs de puissance GaN, tels que le transistor GaN NPT1007 (Figure 10). Grâce à sa couverture de fréquences de CC à 1200 MHz, il est adapté tant pour les applications RF à large bande passante qu'à faible bande passante. Il fonctionne typiquement avec une alimentation simple de 14 à 28 V et fournit un gain en petits signaux de 18 dB à 900 MHz. Il est conçu pour prendre en charge une désadaptation ROS (rapport d'ondes stationnaires) de 10:1, sans endommager le dispositif.

Figure 10 : L'amplificateur de puissance GaN NPT1007 de MACOM couvre une plage de fréquences de CC à 1200 MHz, et il convient aussi bien aux applications RF à large bande passante qu'à faible bande passante. Les concepteurs obtiennent une assistance supplémentaire à l'aide des nombreux graphiques « load-pull ». (Source de l'image : MACOM)

En plus des graphiques illustrant les bases de performances à 500, 900 et 1200 MHz, le NPT1007 est soutenu par de nombreux graphiques « load-pull » pour aider les concepteurs de circuit et de système à garantir la robustesse du produit (Figure 11). Les tests ‏‎load-pull sont effectués à l'aide d'une source de signal et d'un analyseur de signal (analyseur de spectre, wattmètre ou récepteur vecteur) appairés.

Le test nécessite la variation de l'impédance notée sur un dispositif en phase de test (DUT) pour évaluer les performances de l'amplificateur de puissance (couvrant des facteurs comme la puissance de sortie, le gain et le rendement), car les valeurs des composants associés peuvent varier en raison des changements de température ou à la suite d'écarts enregistrés dans les bandes de tolérance par rapport à leurs valeurs nominales.

Figure 11 : Le graphique load-pull de l'amplificateur de puissance NPT1007 dépasse les spécifications minimales/maximales/typiques des tables standard pour illustrer les performances de l'amplificateur de puissance à mesure que son impédance de charge s'écarte de sa valeur nominale, une situation qui se produit en utilisation réelle en raison des tolérances de production initiales et des dérives thermiques. (Source de l'image : MACOM)

Indépendamment du processus d'amplificateur de puissance utilisé, l'impédance de sortie du dispositif doit être entièrement caractérisée par le fournisseur, pour que le concepteur l'adapte correctement à l'antenne pour un transfert de puissance maximum et pour maintenir le rapport d'ondes stationnaires aussi près de l'unité que possible. Ce circuit d'adaptation est principalement constitué de condensateurs et d'inductances, pouvant être mis en œuvre en tant que dispositifs discrets ou intégrés sur le circuit imprimé ou même dans le boîtier du produit. Ils doivent également être conçus pour maintenir les niveaux de puissance de l'amplificateur de puissance. Encore une fois, des outils tels que l'abaque de Smith sont essentiels pour comprendre et implémenter l'adaptation d'impédance requise.

Le conditionnement constitue un problème crucial pour les amplificateurs de puissance, en raison des niveaux de puissance élevés et de la petite taille de la puce. Comme indiqué précédemment, de nombreux amplificateurs de puissance prennent en charge la dissipation thermique à l'aide des brides et des sorties de refroidissement du boîtier, ainsi qu'avec la gaine thermique située sous le boîtier pour agir en tant que chemin vers la plaque de cuivre du circuit imprimé. À niveaux de puissance supérieurs (au-dessus de 5 à 10 W), les amplificateurs de puissance peuvent disposer d'un couvercle en cuivre pour permettre de monter le dissipateur thermique sur la partie supérieure, et des ventilateurs ou d'autres techniques de refroidissement peuvent être requis.

La modélisation de l'environnement thermique est essentielle pour les amplificateurs de puissance GaN en raison de leurs puissances nominales et de leur petite taille. Bien entendu, cela ne suffit pas à maintenir l'amplificateur de puissance à la température de jonction ou de boîtier autorisée. Toute chaleur éliminée de l'amplificateur de puissance ne doit pas devenir un problème pour les autres composants du circuit ou du système. Une solution doit être envisagée pour traiter et résoudre l'intégralité du chemin thermique.

Conclusion

Les systèmes RF, s'étendant des smartphones aux stations VSAT et aux systèmes radars à balayage électronique, repoussent les limites de performances des amplificateurs à faible bruit et de puissance. Cela a incité les fabricants de dispositifs à délaisser le silicium pour explorer les technologies GaAs et GaN afin de fournir les performances requises.

Ces nouvelles technologies de traitement garantissent aux concepteurs des dispositifs dotés de bandes passantes plus larges, d'empreintes réduites et d'un meilleur rendement. Cependant, les concepteurs doivent comprendre les bases du fonctionnement des amplificateurs de puissance et à faible bruit afin d'appliquer efficacement ces nouvelles technologies.