République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de

la Recherche Scientifique Université Abderrahmane Mira de Bejaia Faculté De La Techn

ologie Département D’Electronique

Amplificateur RF CMOS, Puissance classe C

Réaliser par :

Promoteur: ROUHA

KHIMA SOUFIANE

** Année universitaire 2009-2010 **

Dédicace A mes parents qui m’ont toujours soutenu durant toute ma formation et à qui j

e dois rendre mes meilleurs respects et mes sincères reconnaissances A ma f.f. NAB

ILA 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 c

onseiller 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

Remerciements

� 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 not

re 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.

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 fonct

ionnement 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. Écrêt

age des grands signaux .........................................................

........................................................ (11) 5. Critères de sélecti

on 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 ha

rmoniques ......................................................................

................................................ (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 cond

uction .........................................................................

............................................... (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 ........................................................

............................................................................. (2

8) 4. Spectre radiofréquence .....................................................

........................................................................ (28) 5.

L�attribution des fréquences ....................................................

................................................................. (29) 5.1. Clas

sification 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 pu

issance ........................................................................

............ (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 ampl

ificateurs .....................................................................

.................................................... (39) 2.4. Adaptation d’impédanc

e ..............................................................................

........................................ (40) 2.5. Linéarité des amplificateurs RF .

................................................................................

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

................................................................................

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

............................................................................. (4

2) 2.5.1.2. Distorsion non linéaire ..............................................

...................................................................... (42) 3. L

es technologies et les composants ..............................................

........................................................... (43) 3.1. La technol

ogie CMOS RF ...................................................................

................................................. (43) 3.2 Circuits intégrés logique

s 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) Bib

liographie.

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 fonctionnem

ent 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 :Fonctionn

ement de la classe E ...........................................................

................................... (06) Figure 1.7.a : Type de liaison par capa

cité .............................................................................

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

................................................................................

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

........................................................................ (07) Fi

gure 1.8.a : Ampli RF accordable, liaison par condensateur .....................

.............................................. (08) Figure 1.8.b : Ampli RF acco

rdable, liaison par transformateur .............................................

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

............................................................................. (0

9) 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 ch

arge ...........................................................................

............................ (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 colle

cteur ..........................................................................

............... (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 équiva

lente 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) F

igure 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-M

OS .............................................................................

................. (44)

Figure 3.11 : Fonctionnement de transistor N-MOS ...............................

................................................... (44) Figure 3.12 : Coupe schém

atisée 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

Introduction générale

Le développement des systèmes de communications modernes orienté résolument vers des app

lications civiles grand public conduit à une évolution importante de tous les domain

es de l’électronique RF liée aux exigences sur l’intégration, le coût et la fiabilité des circ

uits. Ainsi, la transmission sans fils de volumes de données importants (fichiers,

musiques, vidéo...) implique des débits de communication élevés atteints grâce à des modula

tions numériques complexes. L’amplificateur de puissance, dernier élément de la chaîne d’émiss

ion avant l’antenne, est l’élément dont la consommation est la plus importante et dont l

a 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’am

plification afin d’améliorer la linéarité et le rendement des amplificateurs de puissanc

e, 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, s

ont généralement réalisés sur le silicium en assurant un faible cout, une bonne compatib

ilité avec les circuits numériques, une fréquence de fonctionnement élevée, une bonne linéar

ité, 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 clas

se de l’amplificateur de puissance et leur fonctionnement, étude approfondi sur la c

lasse C. Le deuxième chapitre présente les différentes RF existe et leur domaine d’appli

cations dans les hautes fréquences. Le troisième chapitre traite l’amplificateur RF, l

e 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.

1

Chapitre I

L’Amplification De Puissance

L’Amplification de Puissance Chapitre I Introduction Il existe plusieurs possibili

tés pour d’écrire les amplificateurs. Par exemple, on peut les caractériser par leur cla

sse 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 néc

essite 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 L

a classe B est différent. Le courant collecteur n’existe que pendant la moitié du cycl

e (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 l

a chaleur gaspillée dans les transistors de puissance.

2

L’Amplification de Puissance Chapitre I

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 rep

os de l�amplificateur se situe entre celui d�un amplificateur de classe A et cel

ui d�un amplificateur de classe B. comme l’illustre la figure 1.3. Avec un fonctio

nnement en classe AB, Une telle méthode de polarisation permet à la classe AB de fon

ctionner en classe A pour les signaux de faible amplitude puis de se comporter c

omme un amplificateur de classe B pour les signaux de forte amplitude. Tout comm

e pour les amplificateurs de classe B, les amplificateurs de classe AB sont souv

ent utilisés en configuration push-pull afin de diminuer le taux de distorsion lor

s de l�amplification de signaux de forte amplitude.

Figure 1.3 : le fonctionnement en classe AB. Le principal inconvénient des push-pu

ll 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). 3

L’Amplification de Puissance Chapitre I Ainsi, le gain en courant du montage n�est

pas constant au cours d�un « cycle » d�amplification. Cette variation du gain en co

urant engendre des distorsions hautes fréquences lors du passage entre la zone où de

ux composants amplifient le signal et celle où un seul composant l�amplifie 1.4. L

e 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 utilisable

s 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 cl

asse C sont aussi utilisés pour réaliser des multiplicateurs de fréquence. 1.5. Le fon

ctionnement en classe D Les amplificateurs de classe D sont des amplificateurs t

ravaillant en commutation. Le signal à amplifier est préalablement transformé en un si

gnal rectangulaire de fréquence de pulsation fp dont le rapport cyclique est propo

rtionnel à la valeur moyenne glissante sur une période de pulsation Tp. Ce type de m

odulation est appelé modulation de largeur d�impulsion MLI (PWM Pulse Width Modula

tion). 4

L’Amplification de Puissance Chapitre I Le signal rectangulaire résultant est direct

ement utilisé pour attaquer les transistors de sortie qui sont généralement de type MO

S 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 sou

s forme d�un haut-parleur.

Figure 1.5 : Amplificateur classe D. La droite de charge classique pour les ampl

ificateurs de classe A et AB est remplacé par deux points de fonctionnement corres

pondants 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 ampli

ficateurs à haut rendement. Ils sont généralement utilisés pour amplifier les fréquences r

adio.

5

L’Amplification de Puissance Chapitre I Afin de limiter les pertes par commutation

s, les amplificateurs de classe E sont conçus pour que le changement d�état du trans

istor se fasse en l�absence de courant. Entre deux commutations, le transistor e

st soit bloqué (le courant qui le traverse est nul), soit saturé (la tension à ses bor

nes 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 cou

rant lorsque la tension est non nulle, et vice versa permet de minimiser les per

tes. 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 su

r 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 p

ar transformateur est représentée sur la figure 1.7.b. ici la tension AC et transmis

e à l’étage suivant par l’intermédiaire d’un transformateur. Les liaisons par condensateur e

t 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.

6

L’Amplification de Puissance Chapitre I

Figure 1.7.a : Type de liaison Par capacité. 3. Gamme de fréquences

Figure 1.7.b : Type de liaison Par transformateur.

Figure 1.7.c : Type de liaison Directe.

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

ficateur audio fréquence présente une plage de fréquence qui varie de 20 Hz à 20 KHz. Pa

r 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 modulati

on d’amplitude (AM) amplifient les fréquences entre 535 KHz (150KHz en Europe) et 16

05 KHz ; en modulation de fréquence (FM) celles entre 87.8 MHz et 108MHz. Les ampl

is sont aussi classés en bande étroite ou en large bande. Un ampli bande étroite fonct

ionne 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 b

ande 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 quali

té Q est grand, la largeur de bande est étroite. Le signal de sortie est transmis pa

r 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 tra

nsformateur à l’étage suivant.

7

L’Amplification de Puissance Chapitre I

Figure 1.8.a : Ampli RF accordable, Liaison par condensateur.

Figure 1.8.b : Ampli RF accordable, 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 de

ux 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 sig

nal, 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 : ����(������ ) = Rc +Re ……………… (1.1) Les très petites valeurs de ���� ccage et la tension est donnée par : ������ (�������������� ) = ������ La figure 1.9.b. Illustre fonctionnement Q.

Vcc

8

L’Amplification de Puissance Chapitre I

Figure 1.9.a : Ampli polarisé par Diviseur de tension 4.2. La droite de charge AC

Figure 1.9.b: Droite de charge DC.

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

seur 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 in

tervient, 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 d

e 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 droit

es de charge AC et DC. Puisque la résistance AC émetteur et collecteur est plus faib

le que la résistance DC, la droite de charge AC est plus raide. Il est important d

e noter que les droites de charge AC et DC se croisent au point Q. Ceci arrive l

orsque 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 : 9

L’Amplification de Puissance Chapitre I ������ +���� *���� = 0 ……………… (1.2) Ou ic = −Vce Rc

………………….. (1.3)

Le courant AC sur le collecteur est donné par : �� ��=∆Ic=Ic-IcQ …………….. (1.4) Et la tension A collecteur est : ������ =∆Vce=Vce- �������� En substituant ces expression en (1.3) on arrive V CeQ 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 : ����(������ ) =������ + Ou ����(������ ) = courant ACtension AC vue du collecteur Lorsque le transistor vient au blocage, ���� est nul. Puisque Vce (blocage)=VceQ+∆Vce ∆ Vce = (∆Ic)(���� ) On peut substituer et obtenir ∆ Vce = (������ Vce (Blocage)= VCeQ +������ *���� …………………. (1.7) 10VceQ Rc

………(1.6)

L’Amplification de Puissance Chapitre I La valeur crête à crête maximale (MPP) de la ten

sion est toujours inférieure à la tension de la source, car la droit de charge AC prés

ente une pente plus importante que la droite de charge DC.la formule est : MPP<V

CC Par exemple, si la tension d’alimentation est égale à 10v, la valeur crête à crête maxima

le (MPP) de la sortie sinusoïdale est inférieure à 10v. 4.3. Écrêtage des grands signaux Q

uand le point de fonctionnement Q est au milieu de la droite de charge DC (figur

e 1.10.b), le signal ne peut utiliser la totalité de la droite de charge AC sans p

résenter un écrêtage. Par exemple, d’après la figure 1.11.a, si le signal AC augmente, nou

s 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 sign

al amène le transistor à la saturation. Dans ce cas, nous obtenons l’écrêtage par la satur

ation les deux écrêtages sont indésirables. Un ampli pour signaux forts bien conçu présent

e un point Q au milieu de la droite de charge AC (figure 1.11.c). Dans ce cas, n

ous avons la sortie crête à crête maximale sans distorsion. 5. Critè res de sélection d’une

classe d’amplificateur De nombreux critères peuvent être pris en compte lors de la sélec

tion d�un amplificateur. Les Points importants étant : 5.1. Le gain (en tension, e

n puissance) Chaque amplificateur possède un gain en puissance défini par :

Pout Pin

���� =Pout : Puissance de sortie Pin : Puissance d’entrée

……………….. (1.8)

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

rée. 11

L’Amplification de Puissance Chapitre I 5.2. La puissance de sortie Avec la tensio

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

Veffe ² Rl Vout ² 8 Rl

Pout =

=

…………………..(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 p

olarisation au point de fonctionnement est :

PDC = VCEQ ICQ ………… (1.11)

5.4. Le rendement La puissance fournie par la source de collecteur (������ ) à l’amplificateurst :

PDC =VCC IDC …………….. (1.12)

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

défini par :

η=fournie au montage.

Pout PDC

� 100% ……… (1.13)

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

sance continue

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

ntages 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’e

st un paramètre fondamental pour la durée des batteries dans un équipement autonome, u

n 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 résona

nce Dans le fonctionnement en classe C, le courant collecteur passe pendant moin

s 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 da

ns les amplis RF accordés. Le rendement maximal dans ce cas est 100 %. 12

L’Amplification de Puissance Chapitre I La figure 1.12.a. illustre un ampli RF. La

tension sinusoïdale de l’entrée est appliquée sur la base et une tension amplifiée appara

it 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 p

arallèle, la tension de sortie est maximale à la fréquence de résonance :

1 2π√LC

fr =

…………………(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 f

igure 1.12.b. par conséquent, un ampli classe C accordé est toujours destiné à travaille

r 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 fréquenc

e autour d’une fréquence centrale. 6.2. Droites de charge La figure 1.13.a. montre l

es deux droites de charge. La droite de DC est presque verticale car la résistance

���� de l’enroulement d’une bobine RF est très faible. Cette droite n’est pas importante car transistor n’est pas importante car la tension n’est pas polarisé ; ce qui compte, c’es

t la droite de charge AC. Le point Q se trouve sur son extrémité basse. Quand un sig

nal est présent, le point de fonctionnement instantané monte vers la saturation. L’amp

litude maximale du pic de courant collecteur est donnée par le courant de saturati

on ������ /rC .

13

L’Amplification de Puissance Chapitre I

Figure 1.13.a : Deux droites de charge 6.3. Écrêtage DC du signal d’entrée La figure 1.1

4.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 para

llèle. Dans un ampli classe C, le condensateur d’entrée appartient à un circuit de régénératio

n 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 f

ait, le courant collecteur se compose de brèves impulsions comme celle de la figur

e 1.14.d.

Figure 1.14.b : Signal d’entrée sur La base fixée négatif.

Figure 1.14.d : Impulsion de courant collecteur.

14

L’Amplification de Puissance Chapitre I 6.4. Filtrage des harmoniques Un signal no

n 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 équi

valentes à une somme de signaux sinusoïdaux de fréquence f, 2f, 3f, …..nf. Le circuit réso

nant parallèle de la figure 1.15.a. présente une forte impédance à la fréquence fondamenta

le 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, do

nnant 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 supéri

eurs 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 util

er 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 va

leur 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 visu

aliser 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 amplifica

teur 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 li

ste des formules utilisables dans toutes les classes de fonctionnement : 15

L’Amplification de Puissance Chapitre I

���� =

Pout Pin

…………………. (1.8) =

Vout ² 8 Rl

Pout =

Veffe ² Rl

………. (1.9)

Pout (max)=

MPP² 8 Rl

……………. (1.10)

PDC =VCEQ ICQ ……………… (1.11) PDC =VCC IDC ……………… (1.12) ŋ=

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

:

Pout PDC

� 100% …………….. (1.13)

BP=f2 − f1 ……………….. (1.15)f1 : Fréquence basse à mi-puissance f2 : Fréquence haute à mi-puissance La fréquence à mi-pu

issance 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 = r ……………… (1.16)

Q

f

16

L’Amplification de Puissance Chapitre I 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 fréquenc

e 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 pa

rt et d’autre. 6.6.3. Résistance de collecteur AC Toute bobine possède une résistance séri

e ���� , comme le montre la figure 1.17.a. le coefficient de qualité de la bobine est défini par :

Q L=

QL : Coefficient de qualité de la bobine. XL : Réactance. RS � Résistance série de la bobine.

XL RS

…………………(1.17)

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, exclus

ivement. Le circuit total présente un coefficient de qualité plus faible, car il eng

lobe 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. Lorsqu

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

RP =QLXL …………………. (1.18)

17

L’Amplification de Puissance Chapitre I À la résonnance (figure 1.17.b), XL annuleXC ,

laissant seulement Rp en parallèle avec RL . Donc, la résistance AC vue par le coll

ecteur à la résonance vaut :

rC = RP //RL ………….. (1.19)

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

Q=

6.6.4. L e coefficient de re mplissage

rC XL

………………….. (1.20)

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

s étroites de courant collecteur comme on le voit sur la figure 1.18. Avec elle, i

l est pratique de définir le coefficient de remplissage (rapport cyclique, coeffic

ient d’utilisation, facteur de forme) selon la relation :

D=

D : coefficient de remplissage W : largeur de l’impulsion T : période des impulsions

W T

…………………. (1.21)

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 rappo

rt à la période. Celui de l’ampli classe C est généralement petit. En fait, le rendement d’u

n amplificateur classe C augmente quand son coefficient de remplissage diminue.

Figure 1.18 : Coefficient de remplissage 18

L’Amplification de Puissance Chapitre I 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 transist

or La figure 1.20.a. représente la tension collecteur-émetteur théorique dans un ampli

ficateur classe C. la sortie maximale est donnée par :

MPP = 2 ������ ………… (1.23)Comme la tension maximale est approximativement 2Vcc, le transistor doit une ten

sion VCEO supérieure à 2Vcc. La figure 1.20.b. représente le courant collecteur dans l’a

mpli classe C. Généralement, l’angle de conduction φ est nettement inférieur à 180°. Remarquez que le courant atteint la valeur maximale ����(������ ) ; le transistor doit avoir une gamme rant crête supérieure à cette valeur. La partie en pointillé représente le temps du blocag

e. 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 =

MPP2 40 rC

……………. (1.24)

19

L’Amplification de Puissance Chapitre I La relation (1.24) concerne le pire des ca

s. Le transistor, dans un fonctionnement en classe C, doit avoir une gamme de pu

issance supérieure, sinon il est détruit. En fonctionnement normal, l’angle de conduct

ion est nettement inférieur à 180° et la puissance dissipée est bien au-dessous de ������ 2 /4

Figure 1.20.a : Sortie maximale Dissipée 6.6.7. Rendement de l’étage

Figure 1.20.b : Angle de conduction

Figure 1.20.c : Puissance Par le transistor

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

ourant moyen ou courant DC du collecteur vaut ����(������ ) / π. Pour de faibles angles de con il est plus que cela, comme on le voit sur la figure 1.21.a. Dans un ampli clas

se C, le courant collecteur DC est le courant d’alimentation car il n’ya pas de résist

ances de polarisation. L’amplificateur classe C convertit la plus grande partie de

la puissance continue appliquée en puissance alternative sur la charge car les pe

rtes du transistor et de la bobine sont faibles. Par conséquent, cette classe de f

onctionnement présente un grand rendement par étage. La figure 1.21.b. illustre la v

ariation du rendement maximale en fonction de l’angle de conduction. Pour 180° le re

ndement 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 20

L’Amplification de Puissance Chapitre I 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 Radiofréquen

ces et leur application dans le domaine de hyper fréquence.

21

Chapitre II

La Radiofréquence

La Radiofréquence Introduction

Chapitre II

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

ques dont la longueur d�onde est de l’ordre de 100 km à 1 mm correspondant à une fréquen

ce de 3 kHz à 300 gigahertz, respectivement. Cette gamme de rayonnement électromagnéti

que constitue le spectre radio et correspond à la fréquence des signaux électriques al

ternatifs employés pour produire et détecter les ondes radio. La RF peut se rapporte

r à des oscillations électromagnétiques dans les circuits électriques ou par le rayonnem

ent dans l�air et l�espace. Comme d�autres sous-ensembles de rayonnement électroma

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

1. Classification des ondes L’utilisation des ondes électromagnétiques en télécommunicatio

n déb uta par les expériences de Hertz et Marconi (1901). Depuis, les besoins de com

munication 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 sa

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

car les technologies à utiliser et les conditions de propagation dépendent fortemen

t de la longueur d’onde. La classification généralement employée se fait par décades, e ll

es 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 puiss

ance (>1MW) et une bande passante étroite (de l’ordre du hertz) alliée à des modes de démo

dulation sophistiqués on peut même atteindre de très grandes portées autorisant des comm

unications lointaines (avec des sous marins en plongée par exemple). Par réflexion d

es 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 solair

e et de l’heure. 2. Longue ur d’onde On trouve sur ces longueurs d’ondes des émetteurs h

oraires, une bande de radiodiffusion et d’autres signaux destinée en particulier à la

localisation.

22

La Radiofréquence

Chapitre II

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

es LF se propagent essentiellement en onde de surface, guidées par la surface de l

a 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 h

oraires en modulation d’amplitude DCF77 : - Des services d’identification de type RF

ID (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 K

Hz. Le son monophonique est caractéristique de ces radios. 2.2. Ondes moyennes : 3

00 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 le

ur portée est de l’ordre de la centaine de kilomètres. Ces ondes utilisent aussi les réf

lexions 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 pa

s 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 (Na

vigation 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’am

plitude. 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 déte maritime : 2,182 MHz. 23

La Radiofréquence

Chapitre II

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 b

ande 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 1

4,35 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, Sci

entifique et Médical) non soumise à des réglementations nationales et qui peuvent être u

tilisées 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 couc

he est transparente pour ces fréquences, ni les ondes de surface, car elles sont a

bsorbées à ces fréquences. Dans cette bande on trouve : - Des services de radiodiffusi

on en modulation de fréquence MF ou FM (Fréquence Modulation) : � FM : 87,8 à 108 MHz,

24

La Radiofréquence �

Chapitre II

L’espacement des stations et quasi uniforme de 200KHz et la bande passante de 100K

Hz. Le son stéréophonique et des informations concernant le trafic automobile, le pr

ogramme 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 fréquen

ces 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 MH

z

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 largeme

nt utilisée pour toutes les communications de type mobiles et télévisuelles. Dans cett

e bande on trouve notamment : - Des services de télédiffusion : � � 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 : 25

La Radiofréquence � � � � � 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 person

nels sans fil) : Bluetooth et ZigBee : 2,4 à 2,4835 GHz ; - des services de radiod

iffusion 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 :

Chapitre II

- 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 : 26

La Radiofréquence - Des services de télédiffusion : � 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 ;

Chapitre II

- Des services de radiodiffusion divers : � 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 : - Des services de télédiffusion : 27

La Radiofréquence � TV par satellites : 40,5 à 42,5 GHz ;

Chapitre II

- Des services de radiodiffusion divers : � 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 réalis

ations électroniques impliquent une classification de l’ensemble de ces bandes en de

ux groupes : Le groupe ‘’haute fréquence’’ ou la réalisation d’un court-circuit d’impédance su

amment faible est possible. Il est limité aux fréquences inférieures à quelques centaine

s de MHz. Le groupe ‘’hyperfréquence ‘’ ou les phénomènes de propagation ne peuvent jamais êtr

négligées et qui contient toutes les bandes à partir de celle des U.H.F. 4. Spectre ra

diofréquence Le spectre radiofréquence se rapporte à la partie du spectre électromagnétiqu

e correspondant aux fréquences radio dont la bande de fréquence se situe dans le dom

aine de quelques kilohertz à 300 gigahertz (correspondant à des longueurs d�onde de

l’ordre de 1km à 1 mm).

28

La Radiofréquence 5. L�attribution des fréquences

Chapitre II

La Radiofréquence (RF) du spectre électromagnétique est un aspect du monde physique qu

i, comme la terre, l�eau et l�air, est soumise aux restrictions d�utilisation. L’u

tilisation des bandes de fréquences radio du spectre électromagnétique est réglementée par

les gouvernements dans la plupart des pays, dans un processus de gestion du spe

ctre connu comme l�attribution des fréquences ou l�allocation du spectre. La propa

gation 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 administrati

ons des postes et télécommunications (CEPT) Européen Télécommunications Standards Institut

e (ETSI) Comité international spécial des perturbations radioélectriques (CISPR)

29

La Radiofréquence 5.1. Classification des ondes hertziennes

Chapitre II

Les ondes électromagnétiques sont classées en fonction de leur fréquence en plusieurs ba

ndes (tableau -1-) Tableau -1- Classification des ondes hertziennes. Désignation i

nternationale ELF (extremely low frequency) Désignation Fréquence francophone EBF 3

Hz à (extrêmement 30 Hz basse fréquence) SBF (super 30 Hz à basse 300 Hz fréquence) UBF (u

ltra 300 Hz à basse 3 000 Hz fréquence) TBF (très 3 kHz à basse 30 kHz fréquence) Longueur

d’onde 100 000 km à 10 000 km Classe métrique Exemples d�utilisation Détection de phénomène

s naturels Communication avec les sous-marins Appareil de recherche de victimes

d�avalanche Communication avec les sousmarins, Implants médicaux, Recherches scien

tifiques... Radionavigation, Radiodiffusion, Radio- identification Radio AM

SLF (super low frequency) ULF (ultra low frequency) VLF (very low frequency)

10 000 km à 1 000 km 1 000 km à 100 km 100 km à 10 km Myriamétrique

LF (low frequency) MF (medium frequency) HF (high frequency) VHF (very high freq

uency) UHF (ultra high frequency) SHF (super high frequency) EHF (extremely high

frequency)

BF (basse fréquence)

30 kHz à 300 kHz

10 km à 1 km

Kilométriques

Tera hertz

MF 300 kHz à 1 km à 100 m (moyenne 3 MHz fréquence) HF (haute 3 MHz à 100 m à 10 m fréquence

) 30 MHz THF (très 30 MHz à 10 m à 1 m haute 300 MHz fréquence) UHF (ultra 300 MHz à 1 m à 1

0 cm haute 3 GHz fréquence) SHF (super 3 GHz à 10 cm à 1 cm haute 30 GHz fréquence) EHF

30 GHz à 1 cm à 1 mm (extrêmement 300 GHz haute fréquence) Téra hertz 300 GHz à 1 mm à 100 µm

000 GHz

Hectométriques

Décamétriques Métriques

Radioidentification... Radio FM, Télévision GSM, GPS, Wifi

Décimétriques

Centimétriques

Micro-onde

Millimétriques

Radars anticollision pour automobiles, Liaisons vidéo transportables

Submillimétriques

30

La Radiofréquence 6. Les utilisations du spectre radioélectrique

Chapitre II

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 électroniqu

e et des microprocesseurs ont rendu réalisables toute une gamme de services et d�équ

ipements nouveaux. Des secteurs entiers de l’économie sont tributaires des fréquences

radioélectriques et les services qui en dépendent sont des éléments indispensables du bi

en-vivre de nos sociétés modernes : � Diffusion radiophonique : l’application majeure est la diffusion de programmes nationaux et locaux de Radio France et les programm

es des radios privées. � Diffusion télévisuelle : l’offre disponible en télévision s’est consiblement accrue ces dernières années. On compte aujourd’hui 6 réseaux terrestres (et quel

ques 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, interconnex

ions et raccordement au service téléphonique de sites isolé, armées…). � Radiotéléphonie avec s mobiles : Connaît un essor remarquable dans la radiotéléphonie avec notamment les opér

ateurs 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 po

lice, réseaux de sécurité… � Appareillages : Concerne tous les appareils industriels, scientifiques ou médicaux et le doma ine domestique. Tous ces appareils sont réglementés p

ar 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 puiss

ance reçue en fonction de la puissance émise. Le flux de puissance vaut :

���� 4���� 2

……………… (2.1)

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

31

La Radiofréquence

Chapitre II

Ceci exprime que la puissance est émise dans toutes les directions, soit dans un a

ngle solide de 4 ��. Si l’antenne de l’émetteur présente dans la direction du récepteur un gain absolu���� , la densité du flux de puissance dans cette direction vaut :���� ���� 4���� 2

……………….. (2.2)

Le produit ���� ���� est appelé puissance apparente rayonnée. L’antenne de réception, de surfate ���� , prélève sur l’onde reçue la puissance ���� qui est la puissance reçue à l’entrée du

���� = ����4���� �� 2

���� ���� 4���� 2

……… (2.3)

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

G=

Ou λ est la longueur d’onde. Le rapport des puissances���� ����

…………… (2.4)

peut alors s’exprimer par la relation :

���� ����

=���� ����

�� 2 4���� 2

…… (2.5)

���� ���� ���� Sont respectivement les gains d’antennes à l’émission et à la réception. λ est se. L’affaiblissement de puissance A, dit affaiblissement en espace libre, peut en

cor s’écrire sous la forme suivante :

4���� 2 ) ��

A=(

λ = ����

………. (2.6)

A (dB) = 20 log ( Avec C=3.10 m. �� ,f : la fréquence en Hz Finalement :8 −1

4���� ��

)=22+20 log ( �� )

��

A (dB) =22+20 log ( ) …… (2.7)

��

��

Avec D et λ dans la même unité.

32

La Radiofréquence Conclusion

Chapitre II

Toutes les notions fondamentales exposées dans ce chapitre seront utilisées pour exa

miner le fonctionnement des émetteurs et des récepteurs et évaluer leurs performances,

et nous permet d’étudier l’amplificateur Radiofréquence CMOS en puissance classe C.

33

Chapitre III

Caractérisation de l’amplificateur Radiofréquence

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence Introduction

Chapitre III

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 typ

es 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 a

ttendues 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 résea

ux d’adaptation doivent alors être impérativement plus élevés, ce qui entraine une diminut

ion de la largeur de bande. Cette limitation est essentielle ; peut importe la c

omplexité du réseau d’adaptation, le gain doit laisser la place à la largeur de bande. U

ne 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 u

n 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 Lo

w Noise Amplifier) est un dispositif électronique chargé de mettre en forme des sign

aux très faibles en provenance d�une antenne. Il est souvent placé à proximité du capteu

r, de manière à minimiser les pertes en ligne ; pour cette raison, il est parfois no

mmé préamplificateur. Ce type de solution est fréquemment utilisé pour les systèmes travai

llant à des fréquences élevées, tels que le signal GPS. Suivant les fréquences, l�élément acti

f d�un amplificateur d�entrée à faible bruit varie : le FET est le moins bruyant jus

qu�à quelques dizaines de mégahertz, suivi par le transistor bipolaire (particulièreme

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

34

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence � amplificateur de puissance fonctionnant en régime non linéaire

Chapitre III

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, de

s 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 appara

dans un système. À cette classification peut s’ajouter une seconde classification, dépe

ndant 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 ét

roite utilisés à des fréquences inférieures à 30 MHz ressemblent beaucoup aux amplificateu

rs BF à liaison par résistance. Les charges résistives sont remplacées par des bobines e

n parallèle ; celles-ci annulent les capacités du transistor en HF. � Amplificateur ultra-large bande : plusieurs octaves de largeur de bande. La plus part des amplif

icateurs à large bande font appel à la rétroaction. Une impéda nce d’émetteur non découplée fo

nit 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 Co

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

Figure 3.1 : Bilan de puissance sur un amplificateur. ������(�� ) : Puissance RF de l’entrée acateur. ������(��) : Puissance RF de sortie amplificateur. ��(����) : La puissance fournie partinue de l’amplificateur. 35

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence

Chapitre III

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

actérise. Il existe trois types de rendement : � � � Le rendement drain ou collecteur (selon le type de composant) ; Le rendement en puissance ajoutée ; Le rendement glob

al.

Le rendement drain (ou collecteur) est défini par : �� =������ (�� ) ������

……………….... (3.1)

Le rendement en puissance ajoutée est défini par : �������� = Le rendement global est : η = �������� (�� )����

������ �� − ������ (��) ������

………. (3.2)

+ ������ (�� )

….................. (3.3)

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

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

Figure 3.2 : amplificateurs en cascade. Pour un seul amplificateur : �������� =������ �� − ������ (��) ������

=

������ (�� ) ������

(1 − �� ) = η (1- �� ) ………….. (3.4)

1

1

Pour deux amplificateurs en cascade, on obtient :

η=

�� 1+ ���� 1 �� ���� 2

�� 2

=

�� 2 1+

�� 2 �� 1 �� 2

…………… (3.5)

36

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence 2.2. Critè res de stabilité

Chapitre III

Un amplificateur doit rester stable (et ne pas se mettre à osciller) dans son envi

ronnement de travail. Un amplificateur qui fonctionne par exemple à 100 MHz ne ser

a pas satisfaisant s’il produit des oscillations, même à des fréquences très différentes, co

mme à 1GHz. Une mise en oscillation place véritablement le circuit dans un régime d’excu

rsions de grande amplitude ; la simultanéité des états d’amplification et d’oscillation co

nduit à une totale non linéarité. Dans un quadripôle linéaire unilatérale, on peut déterminer

son gain transducique maximum par : ������ = Г�� : Coefficient de réflexion. ������ : Paramètrr. Ce gain est maximum quand les adaptations en entrée et en sortie sont parfaites

:

� � Г 1 = ��11 Et Г2 = ��22 1−|Г1 |2

|1−��11 Г1 | 2

|��21 |2

|1−��22 Г2 |2

1−|Г2 | 2

……………. (3.6)

������ =

1 1−|��11 | 2

|��21 |2

1 1−|��22 |2

…………………. (3.7)

Dans le cas où le dispositif ne peut être considéré comme unilatéral ( ��12 #0), les conditions d’adaptation en entrée et en sortie permettant d’obtenir le gain maximum sont plus c

omplexes (figure 3.3.). L’adaptation conjuguée sera obtenue si :

12 Г� = ��11 + 1−Г21 1 ��

��

��

Г2

2 22

………………. (3.8) ……………… (3.9)

12 Г � = ��22 + 1−Г21 2 ��

��

��

Г1

1 11

Figure 3.3 : Adaptation conjuguée réelle. 37

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence Г1 : Coefficient de réflexion de l’adapta

teur d’entrée. Г2 : Coefficient de réflexion de l’adaptateur de sortie. Г���� : Coefficient deon pour l’entrée de l’amplificateur. Г������ : Coefficient de réflexion pour la sortie de l’amr.

Chapitre III

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

t être satisfaites simultanément, d’où :

� Г 1 = ��11 + 1−�� 12Г 21 22| 2 +��1 � −|��11 1 22

�� � �� � (��

−∆Г )22 ∆Г1

…………. (3.10)

Rappelons que : Г1 = Г2 =

��1 −��0 ��1 +��0 ��2 −��0 ��2 +��0

……………………………… (3.11) ………………...…................ (3.12)

��1 ���� ��2 sont les impédances présentées par les réseaux d’adaptation d’entrée et de sortienc à partie réelle positive. Par conséquent, il faut que : Г1 < 1 ���� Г2 < 1 En développant (en suite on résout l’équation du second degré est on déduit que la condition nécessaire et s

uffisante pour que l’adaptation simultanée soit vérifiée est : K=

1− |��11 | 2 − |��22 |2 + |��11 ��22 −��12 ��21 | 2 2|��12 ��21 |

> 1 ……… (3.13)

Ce paramètre K représente le coefficient de stabilité du quadripôle actif. L’étude des critère

s de stabilité est très importante dans la conception d’un amplificateur RF ou micro-o

ndes. Un quadripôle actif de type amplificateur sera dit inconditionnellement stab

le, si la partie réelle de l’impédance d’entrée et de sortie reste positive pour toutes le

s impédances de charge et de source.

38

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence 2.2.1. Résumé des conditions de stabili

té 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 a

mplificateurs

Chapitre III

On définit le gain transducique ���� comme le rapport de la puissance délivrée à la charge sura puissance disponible sur le générateur. Le gain en puissance ���� représente le rapport de la puissance délivrée à la charge sur la puissance entrant effectivement dans le quadri

pôle. Enfin, le gain disponible ���� 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. ������ : Puissance d’entrée du quadripôle. �������� : Puiquadripôle. �������� : Puissance de générateur. ���� : Puissance de charge. Ces différents gainction des paramètres S du quadripôle et du coefficient de réflexion de la source et d

e la charge :

���� =

���� ��������

=

1−|Г�� |2 |��21 |2 (1−|Г�� |2 ) | 1−��11 Г�� 1−��22 Г�� −��12 ��21 Г�� Г�� |2

……… (3.14)

39

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence

Chapitre III

���� = ���� =

���� ������

=

1 1−|Г1 |2

|��21 |2

1−|Г�� |2 |1−��22 Г�� |2 1

……………….. (3.15) ……………… (3.16)

�������� ��������

=

1−|Г�� |2 |1−��11 Г�� |2

|��21 |2

1−|Г2 |2

Le gain transducique est toujours inférieur ou égal au gain disponible ���� (respectivement au gain en puissance ���� ). 2.4. Adaptation d’impédance L’adaptation d’impédance, surtout lor celle-ci doit être réalisées sur une large bande. En radiocommunication, on cherche à t

ransférer une puissance maximale d’une source de tension ���� de résistance interne ���� vers ge de valeur���� (Figure 3.5).

Figure 3.5 : Transfert de puissance. ���� : Résistance du générateur. ���� : Résistance du chan du générateur. La tension ���� aux bornes de la charge���� , vaut :

�� = ���� ��

�� �� �� �� +�� ��

………………. (3.17)

La puissance ���� fournie à la charge ���� , vaut :

���� =

2 ����

�� ��

2 = ����

�� �� (�� �� +�� �� )2

……….. (3.18)

On recherche alors si il existe une relation entre ���� ���� ���� , telle que la puissance ���

40

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence

������ ���� �� 2 = ���� �� �� −�� �� (�� �� +�� �� )3

Chapitre III

……………….. (3.19)

Lorsque

���� �� ���� ��

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

���� = ���� .Lorsque la résistance de charge ���� est égale à la résistance interne du générateur ���� , ledapté e n puissance. La puissance délivrée à la charge est maximale et vaut :

���������� =Dans le cas de la figure 3.5

2 ����

4�� ��

……………………. (3.20)

���� sont des résistances pures. On peut

les impédances ���� et

certainement rencontrer ce cas concret, mais il ne s’agit pas du cas réel le plus fréq

uent. Généralement, les impédances ���� et ���� sont des impédances complexes (Figure 3.6).

Figure 3.6 : Générateur chargé. La puissance délivrée à la charge se déduit du courant circula

nt dans la maille et de la tension à ses bornes :

���� = ���� (���� . �� �) =2

1

|���� |2 2

�� �� 2 + (�� + �� ) 2 (�� �� + �� �� ) �� ��

…......... (3.21)

La valeur du couple (���� ,���� ) qui maximise ���� est obtenue par un calcul aux dérivées parrouve :

���� = ���� ���� ���� = − ����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 :

41

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence

� ���� = ���� ⇔ ���� = |���� |2 8�� ��

Chapitre III

……………….. (3.22)

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

ser 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 subissen

t des distorsions dues aux conversions d’amplitude AM/AM et de phase AM/PM. Les so

urces 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 ign

al d’entrée.

2.5.1. Distorsion dues aux éléments radiofréquences On distingue deux types de distors

ions : la distorsion linéaire et la distorsion non linéaire.

2.5.1.1. Distorsion linéaire La distorsion linéaire est provoquée par les éléments radiofréq

uence linéaires. Le régime linéaire est considéré comme un fonctionnement avec une amplitu

de 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 plu

s critique pouvant engendrer ce type de distorsions est l’amplificateur de puissan

ce. Ces effets non linéaires sont caractérisés par deux grandeurs appelées compression A

M/AM (figure 3.7.) et conversion AM/PM (figure 3.8.).

42

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence

Chapitre III

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 e

ntrant dans les systèmes et services modernes de télécommunications, comme les communi

cations mobiles et satellites, internet … La technologie CMOS répond parfaitement au

x spécifications techniques, que ce soit en termes de haut intégration, faible conso

mmation, 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 d

e 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 faibl

e transconductance et un bruit en 1/f élevé. 3.2 Circuits intégrés logiques CMOS (Comple

mentary 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 inco

nvénient est leur vitesse de fonctionnement relativement faible par rapport à celle

de la famille bipolaire.

43

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence 3.2.1 Le transistor MOS à canal n

Chapitre III

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

ssi 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 trans

istor. La grille (G). La figure 3.10 représente le symbole de transistor N-MOS.

Figure 3.10 : Symbole de transistor N-MOS. � Fonctionne ment : Cet élément est caractérisé par les tensions ������ = ���� -���� ,������ =���� -���� , la seconde toujours positive, etsitif drain-source. Le transistor (Figure 3.11.) conduit ou passant lorsque ������ > ���� . Illoqué lorsque ������ < ���� .

Figure 3.11 : Fonctionnement de transistor N-MOS

44

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence 3.2.2 Le transistor MOS à canal P

Chapitre III

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

ussi 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 resp

ectivement 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 � Fonctionne ment : Cet élément est caractérisé par les tensions ������ = ���� -���� ,������ =���� -���� , la seconde toujours négative, et panel positif drain-source. Le transistor (Figure 3.14.) est passant lorsque ������ < ���� . Il oqué lorsque ������ > ���� .

Figure 3.14 : Fonctionnement de transistor P-MOS 45

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence 3.2.3. Transistor CMOS

Chapitre III

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

eux transistors MOS type N et type P.

Figure 3.15: Coupe schématisée d’un transistor CMOS. � Fonctionne ment :

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

nducteurs.

Figure 3.16 : Transistor CMOS

4. Le choix de la classe C Le choix aura principalement des conséquences sur les c

aractéristiques électriques de l’amplificateur et particulièrement sur le rendement et l

a linéarité et le fonctionnement aux fréquences élevées.

46

Caracté risation d’un amplificateur Radiofréquence 4.1. Utilisation de l�amplificateur

classe C

Chapitre III

� Ils sont utilisés comme multiplicateur de fréquence. L’une des propriétés intéressantes de lmplificateur 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 (��Crête = α���� ). Lors duionnement en mode saturé classique, la valeur de la constante de proportionnalité, e

st approximativement égale à 0,9. L’amplificateur en classe C est donc équivalent à un mul

tiplicateur 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’ampl

icateur. Le signal d’entrée est utilisé pour faire commuter le composant actif de pass

ant 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 dési

rées. � Les amplificateurs de classe C sont aussi utilisés pour réaliser des amplificateurs ultrasoniques, hautes fréquences sélectifs et micro-ondes ainsi que des oscillat

eurs 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 princ

ipales caractéristiques concernant les éléments des amplificateurs RF CMOS sont le gai

n en puissance, la stabilité, la linéarité, la puissance RF, le rendement et le bruit

basse fréquence.

47

Conclusion Générale

CONCLUSION GÉNÉ RALE

Conclusion générale Ce modeste travail nous a permis de combler nos lacunes et d’appro

fondir nos connaissances dans des domaines vastes et très importants en électronique

s 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 h

aute 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 fig

ure 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 e

t réalisateurs de Radiofréquence pour simplifier leurs travails, il est souhaitable

d’élargir ce genre d’étude pour une utilisation étendue en télécommunication par Radiofréquenc

48

Bibliographie

BIBLIOGRAPHIE

Bibliographie [1] : Albert Paul Malvino, David J Bates « Principe d’électronique ». DUNO

D, mars 2008. [2] : Martine Villegas et coll « Radio-communications Numériques /2 ». D

UNOD, octobre 2007. [3] : François de Dieuleveult « électroniques appliquée aux hautes f

réquences ». DUNOD, mai 1999. [4] : C Piguet, A Stauffer, J Zahand « Conceptions des c

ircuits ASIC Numérique CMOS ». DUNOD, mai 1990 [5] : Mona M Hella, Mohammed ismail,

kluwer « RF CMOS Power Amplifiers: Theory, Design and Implementation ». Kluwer Acade

mic Publishers, 2002. [6] : Ramakrishna Sekhar Narayanaswami .« RF CMOS Class C Po

wer Amplifiers for Wireless Communications ». University of California, Berkeley.2

001 [7] : Gunnar Gudnason and Erik Brun. « CMOS Circuit Design for RF Sensors ».Kluw

er Academic Publishers.2008. [8] : jeffrey jiajiunn ou .« CMOS RF device modeling

and low-noise amplifier circuit design ». University of California, Berkeley.2001

[9] : www.lavoisier.fr [10] : http://www.stielec.ac-aix- marseille.fr [11] : htt

p://fr.wikipedia.org/ [12] : http://www.polytech- lille.fr [13] : www.empowe rrf

.com [14] : http://www.discovercircuits.com [15] : http://www.rfamplifiers.com [

16] : http://www.univ-angers.fr [17] : http://pagesperso-orange.fr [18] : http:/

/www.uquebec.ca