FR2606230A1 - Controle de la surcharge pour un amplificateur de puissance a fet - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN CIRCUIT DE CONTROLE CONTRE LA SURCHARGE D'UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE A FET. SELON L'INVENTION IL COMPREND UN ATTENUATEUR VARIABLE 15 QUI EST COUPLE A L'ENTREE DE L'AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE 21-26 ET QUI REPOND A UN SIGNAL DE COMMANDE A UNE ENTREE DE L'ATTENUATEUR POUR LIMITER LE NIVEAU D'AMPLITUDE DE TOUT SIGNAL HAUTE FREQUENCE APPLIQUE, A TRAVERS LUI, A L'AMPLIFICATEUR ET UN MOYEN 30 COUPLE A UNE ELECTRODE DE PORTE DE L'AMPLIFICATEUR POUR APPLIQUER LE SIGNAL DE COMMANDE A L'AMPLIFICATEUR, PROPORTIONNELLEMENT AU COURANT DETECTE A L'ELECTRODE DE PORTE. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT AUX SYSTEMES DE COMMUNICATIONS PAR SATELLITE.
Description
La présente invention se rapporte à des amplificateurs de puissance à
transistor à effet de champ ou FET et, plus particulièrement, à une protection contre la surcharge pour des amplificateurs de puissance à FET en arséniure de gallium (GaAs). On peut accéder aux amplificateurs de puissance à semi-conducteurs utilisés dans des systèmes de
communications par satellite à partir de stations au sol.
Il y a un risque de puissance montante potentiellement non contrôlée qui pourrait surcharger les dispositifs de sortie à FET en arséniure de gallium dans les amplificateurs à semi-conducteurs. Ces dispositifs à FET sont quelquefois appelés dispositif MESFET (métal semi-conducteur). Les amplificateurs à semi-conducteurs sur le satellite sont adaptés à recevoir certaines plages de puissance d'entrée. Des plages supérieures de puissance d'entrée peuvent se produire, par exemple, après que les stations au sol ont accru la quantité de puissance d'entrée pour corriger des conditions, telles que des conditions de pluie, qui dégradent la puissance d'entrée et lorsque ces stations terminales ne sont pas immédiatement remises à l'état initial dès que les conditions météorologiques ont changé. La surcharge étendue peut dégrader la fiabilité de l'amplificateur à semi-conducteurs du fait du courant excessif de porte induit par le signal reçu sur micro-ondes. Ces dispositifs à FET utilisent des structures très étroites en métal de porte (de l'ordre de 0,5 micron) qui peuvent
être endommagées par une densité excessive du courant.
Il est par conséquent souhaitable de prévoir un certain moyen à l'endroit du satellite, c'est-à-dire à l'amplificateur, pour détecter la présence d'un courant excessif de porte et pour limiter la puissance sur microondes appliquée à l'amplificateur avant que tout seuil de dégâts (dégradation de fiabilité) ne soit dépassé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un contrôle de surcharge est prévu pour un amplificateur de puissance haute fréquence à semi-conducteurs à FET en arséniure de gallium (GaAs) comprenant un atténuateur variable couplé à l'entrée de l'amplificateur et répondant à un signal de commande à une entrée pour limiter le niveau d'amplitude des signaux haute fréquence d'entrée qui lui sont appliqués et un moyen couplé à la porte dudit amplificateur de puissance pour appliquer ledit signal de commande audit amplificateur. Le signal de commande est proportionnel au
courant détecté de porte à l'amplificateur de puissance.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci
apparaîtront plus clairement au cours de la description
explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 donne un schéma bloc du système amplificateur de puissance à semi-conducteurs général avec protection contre les surcharges selon un mode de réalisation de la présente invention; et - la figure 2 est un schéma d'un étage amplificateur de puissance à FET en GaAs, d'un montage de commande d'atténuateur et de l'atténuateur à diodes
PIN de la figure 1.
En se référant à la figure 1, elle illustre un schéma bloc de l'amplificateur à semi-conducteurs général tel qu'on peut le trouver dans des amplificateurs à semi-conducteurs d'un satellite de communications. Comme on le sait bien, les signaux de liaison montante qui sont
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transmis des stations au sol sont transmis à une fréquence de liaison montante telle que 14 GHz, par exemple, sont reçus au satellite, sont convertis en une fréquence de liaison descendante telle que 12 GHz, par exemple, et sont amplifiés et retransmis du satellite à la terre. Les signaux de liaison montante qui ont été convertis aux fréquences de liaison descendante sont présents à la borne 11 de la figure 1 pour être suffisamment amplifiés pour être retransmis. Ces signaux à haute fréquence sont appliqués à un atténuateur 15 à diodes PIN qui est isolé de chaque c8té par des propagateurs isolateurs 17 et 19. Les signaux d'entrée haute fréquence sont alors amplifiés par une chaine d'amplificateurs de puissance à FET en GaAs 21 à 26, o ces amplificateurs à FET sont connectés ensemble par paires, avec un propagateur d'isolement après chaque paire comme cela est représenté par les propagateurs isolants 27 et 28. Les amplificateurs sont tous des amplificateurs à semi-conducteurs à FET en GaAs qui amplifient les signaux à des niveaux intermédiaires de puissance. Le signal amplifié à la sortie de l'amplificateur 26 est appliqué à un réseau de division et d'amplification de puissance comprenant des coupleurs 31 à 45 à 3db en configuration d'arbre et des amplificateurs de puissance à FET en GaAs 46 à 51 pour produire 16 sorties vers 16 amplificateurs de puissance à FET en GaAs 60 à 75 o ces amplificateurs 60 à 75 sont également des amplificateurs de puissance à FET en GaAs pour amplifier les signaux d'entrée. Un réseau de combinaison, agencé en configuration d'arbre de coupleurs à 84 à 3db, sans amplificateur intermédiaire, combine la puissance pour produire une sortie à haute puissance au coupleur 94. Tous les dispositifs à FET en GaAs d'un mode de réalisation préféré sont sur un circuit intégré micro-ondes monolithique commun. Ces dispositifs peuvent également être appelés transistors à effet de champ métal
semi-conducteur MESFET.
Selon le mode de réalisation préféré de la présente invention, un signal de commande est appliqué à un atténuateur 15 à diodes PIN. Ce signal de commande est produit en détectant le courant de porte dans l'un des étages amplificateurs de puissance, et plus particulièrement, à l'un des étages intermédiaires. Dans le mode de réalisation préféré, cette détection se fait à l'étage amplificateur intermédiaire final 26 à FET en GaAs de la figure 1. Cette détection peut se faire à tout étage suivant l'atténuateur. Le courant de porte à l'étage amplificateur intermédiaire final 26 à FET est détecté pour dériver un signal de commande à la commande d'atténuateur 30. La commande 30 produit un signal de commande en redressant le courant de porte de l'amplificateur 26 pour produire un signal redressé et par le fait que ce signal redressé dépasse un niveau de seuil approprié. Le signal de commande est appliqué à l'atténuateur 15 à diodes PIN pour réduire l'entrée haute
fréquence aux étages amplificateurs 21 à 26 proportion-
nellement au courant détecté de porte lorsque ce courant de porte dépasse un seuil prédéterminé. Il peut être souhaitable que l'atténuateur 15 soit sur le même circuit intégré. Il peut de plus être souhaitable, dans certaines applications, que l'atténuateur soit placé après les
pré-amplificateurs 21 et 22.
En se référant à la figure 2, elle illustre un
schéma de parties du schéma général montré à la figure 1.
Les éléments de la figure 2 qui correspondent à ceux de
la figures 1 porteront la même désignation numérique.
Comme cela est illustré à la figure 2, l'atténuateur 15 à
diodes PIN est placé entre les propagateurs 17 et 19.
L'atténuateur 15 à diodes PIN comprend une paire de diodes PIN 201 et 203 dont les anodes sont connectées à la ligne d'entrée/sortie 204 de l'atténuateur 15. Les bornes de cathode des diodes 201 et 203 sont couplées au potentiel de la masse. Aux anodes des diodes 201 et 203 est également appliqué un signal de commande par le conducteur 205, de la commande d'atténuateur 30. La sortie de l'atténuateur 15 est appliquée, par le propagateur 19, aux amplificateurs à FET 21 à 25 à l'arséniure de gallium de l'étage intermédiaire, qui ne sont représentés que par les blocs 21, 22 et 25 et par la ligne en pointillé 206 sur la figure 2. La sortie de l'amplificateur 25 est couplée, par un condensateur de couplage 207, et une section d'adaptation d'impédance 209, à l'électrode de porte 261 de l'amplificateur transistor de puissance 26 à FET en GaAs. L'amplificateur 26 comprend un dispositif à transistor FET en GaAs à une seule porte avec une électrode de source 262 couplée à la masse, une électrode de drain 263 couplée à une source de drain représentée par +Vd pour solliciter le dispositif, par exemple, à une tension d'alimentation d'environ 9 volts. La sortie est prise à l'électrode de drain 263 et est appliquée par un réseau d'adaptation d'impédance 211, aux étages diviseurs de puissance montrés à la
figure 1.
Une tension de polarisation de porte, -Vg, est appliquée via la résistance de détection 215, à l'électrode de porte 261. Une self à micro- ondes est formé par l'inductance 214 et un by-pass haute fréquence de la source de tension de polarisation de porte est formé par le condensateur 216. Un amplificateur de détection, comprenant un étage amplificateur différentiel de détection, est formé d'un amplificateur différentiel 217 o la borne inverse (-) est couplée, via une résistance 219, à l'extrémité de borne de porte d'une résistance 215 et la borne directe (+) est couplé, via une résistance 220, à l'extrémité de tension de porte de la résistance 215. Une résistance 221 de division de tension est couplée à la résistance 220 à l'extrémité de borne positive (+) pour appliquer une tension au niveau de référence à la borne positive (+) de l'amplificateur différentiel 217. Le réglage du gain de l'amplificateur est formé par la résistance de réaction 218 dans la
boucle de réaction entre la sortie et l'entrée négative.
La sortie de l'amplificateur différentiel 219 est couplée à une diode de seuil 240 pour appliquer le signal détecté de commande, via la résistance 241 à l'entrée d'un autre amplificateur différentiel 250. La tension de référence est appliquée à l'entrée négative de l'amplificateur 250 par des résistances 251 et 255 et le réglage du gain est
produit par une résistance de réaction 256.
L'amplificateur 250 est par conséquent configuré comme une source de courant constant o les résistances 241, 251, 255 et 256 sont de la même valeur. Cette valeur est choisie pour polariser les diodes PIN 201 et 203 à la
région souhaitée de la caractéristique d'atténuation.
Selon le fonctionnement du mode de réalisation de la figure 2, des signaux de micro-ondes appliqués à la borne 11 sont appliqués via l'atténuateur 15 à diodes PIN, aux amplificateurs 21 à 25. La sortie de l'amplificateur 25 est couplée, via le condensateur 207 et le réseau d'adaptation d'impédance 209, à la porte 261 de l'amplificateur 26 à FET. Tandis que l'incidence de l'énergie de micro-ondes augmente à l'entrée porte-source de l'amplificateur configuré en source commune illustré à la figure 2, un courant dynamique de porte est accru du fait du redressement du courant de porte par la diode porte-source inhérente dans une jonction du type barrière de Schottky inhérente, à un dispositif à FET en GaAs. Le courant de polarisation de porte traverse les résistances 220 et 221 et établit une tension de référence à la borne plus de l'amplificateur 217. Tandis que le courant dynamique augmente du fait du redressement dans la diode porte-source, il y a une chute de tension accrue à travers la résistance 215 et une plus grande différence de tension entre les borne + et - de l'amplificateur différentiel 217, provoquant une sortie accrue. Lorsque cette sortie dépasse le seuil de la diode d'entrée 240, un signal de commande est appliqué à l'entrée de l'atténuateur 15 à diodes PIN pour provoquer une plus ample conduction des diodes PIN et ainsi diminuer la quantité d'énergie appliquée de micro-ondes qui passe du
propagateur 17 au propagateur 19.
D'autres modes de réalisation de l'invention seront apparents de ceux qui sont compétents en la matière. Par exemple, le signal de commande peut être dérivé de toute électrode de porte simple sur tout dispositif à FET simple ou de toute combinaison de courants dérivés de toute combinaison d'électrodes de porte des dispositifs à FET 21, 22, 23, 24, 25, 26, 46 à 51 et 60 à 75. Par exemple, le courant de l'amplificateur , représenté par la ligne en pointillé 27, peut également être appliqué à la commande 30. L'atténuateur peut être placé après les étages initiaux d'entrée 21 et 22, par exemple, pour améliorer le chiffre de bruit de l'amplificateur, tout en maintenant une protection contre les surcharges pour les étages de FET en GaAs qui suivent
1 ' atténuateur.
Selon un mode de réalisation, le circuit de la figure 2 aura typiquement les valeurs suivantes: Résistances 218, 221, 219, 222- 1K ohm Résistance 215 - 5K ohm Résistances 241, 251, 255, 256- 100K ohm Les amplificateurs différentiels 250 et 217 sont du type 747 AF Diode 240: IN419 Inductance 214: Self quart d'onde sur circuit imprimé Diodes PIN 201 et 203: DSB 6907-99 de ALPHA Industries à Woburn, Massachussets EUA FET 26: FLK 022WG de Fujistsu de Kawasaki, Japon Condensateur 216: 1 microfarad
Polarisation -V: - 5 volts.
g
REVE ND I C A T I 0 N S
1. Contr8le de la surcharge, en combinaison avec un amplificateur de puissance à FET, caractérisé en ce qu'il comprend: un atténuateur variable (15) couplé à l'entrée dudit amplificateur de puissance (21-26) et répondant à un signal de commande à une entrée dudit atténuateur pour limiter le niveau d'amplitude de tout signal à haute fréquence appliqué, par lui, audit amplificateur; et un moyen (30) couplé à une électrode de porte dudit amplificateur pour appliquer ledit signal de commande audit amplificateur, proportionnellement au
courant détecté à ladite électrode de porte.
2. Contr8le selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur de puissance à FET
est un amplificateur à FET en GaAs.
3.Contr8le selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atténuateur variable (15) est un
atténuateur à diodes PIN.
4. Contrôle selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'amplificateur de puissance comprend un certain nombre de dispositifs à FET en GaAs (21-26) et le signal de commande est dérivé d'une combinaison de courants dérivés d'une combinaison
d'électrodes de porte desdits dispositifs à FET enGaAs.
5. Contr8le selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'amplificateur de puissance comprend un certain nombre de dispositifs à FET en GaAs (21-26) sur un circuit intégré micro-ondes monolithiques
commun.
6. Contr8le selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'atténuateur (15) se trouve dans
ledit circuit intégré commun.
7. Contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur de puissance comprend un certain nombre d'étages amplificateurs à FET en GaAs (21-26) comprenant des étages d'entrée, un étage de sortie de puissance et des étages intermédiaires entre lesdits étages d'entrée et de sortie de puissance, et en ce que ledit atténuateur variable (15) est placé avant les étages intermédiaires et après un ou plusieurs étages d'entrée pour produire un chiffre optimum de bruit de l'amplificateur, tout en maintenant une protection contre les surcharges des étages à FET en GaAs qui suivent
1 'atténuateur.
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