FR2837999A1 - Procede et dispositif de controle du fonctionnement d'un transistor bipolaire fonctionnant en classe a selon un montage emetteur commun ou base commune - Google Patents
Procede et dispositif de controle du fonctionnement d'un transistor bipolaire fonctionnant en classe a selon un montage emetteur commun ou base commune Download PDFInfo
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Abstract
On asservit le produit du courant statique de collecteur (Ic) par la résistance d'émetteur (RE) à une tension de référence prédéterminée (Vref) dont la valeur est égale, à une tolérance près, à 13 mV à une température de 27°C.
Description
d'échantillonnage sont différentes.
Pro cédé et disp ositif de contrôle du fonctionnement d' un transistor bipolaire fonctionnant en classe A, selon un montage émetteur commun ou base commune L'invention concerne les transistors bipolaires et plus particulièrement, le contrôle du fonctionnement de ceux fonctionnant
en classe A, selon un montage émetteur commun ou base commune.
L'invention s'applique avantageusement mais non limitativement aux terminaux de systèmes de communication sans fil,
par exemple aux téléphones mobiles cellulaires.
Un transistor bipolaire fonctionnant en classe A selon un montage émetteur commun est habituellement utilisé en tant que transconducteur, c'est-à-dire convertisseur tension-courant. Un tel
transconducteur se caractérise notamment par sa linéarité et son gain.
La linéarité peut se traduire par la valeur en dBm, d'un point d'interception d'ordre 3 (IIP3) pour un test d'intermodulation à deux tons, selon une dénomination bien connue de l'homme du métier. Plus la valeur de ce point est élevée, plus l'intermodulation (qui se traduit par l'apparition de raies d'intermodulation) est faible et par conséquent
meilleure est la linéarité de l'étage transconducteur.
Lors de la conception de tels étages transconducteurs, le gain
et l'intermodulation font partie des paramètres spécifiés.
Il est habituel pour améliorer la linéarité d'un étage transconducteur, de connecter une résistance dite "de dégénérescence" entre l'émetteur du transistor bipolaire et la masse. Le gain gm de l'étage transconducteur est égal au gain gmO du transistor bipolaire proprement dit, divisé par (1+gmoRE), o RE désigne la résistance d'émetteur, c'est-à-dire la résistance de dogénérescence. La linéarité
du transconducteur va s'améliorer en augmentant cette résistance.
Mais pour augmenter la linéarité à gm constant, il faut en plus augmenter gmO. Cependant, cette valeur gmO est proportionnelle au courant collecteur statique circulant dans le transistor bipolaire en
l'absence de signal d'entrée.
Par conséquent, l'augmentation de la résistance d'émetteur RE va se traduire au final par une augmentation de la valeur de ce courant collecteur statique, c'est-à-dire par une augmentation de la
con sommati on de courant.
Aussi, envisage-t-on actuellement, lors de la conception de tels étages transconducteurs, un compromis entre la linéarité et la consommation de courant. Et, tous les étages transconducteurs présentent généralement un produit IcRE égal environ à l 00 mV, Ic désignant le courant collecteur statique
L'invention vise à apporter une solution à ce problème.
Un but de l'invention est de proposer un transistor bipolaire fonctionnant en cl ass e A se l on un montage émetteur commun ou base commune, présentant une très bonne linéarité avec une consommation
de courant réduite par rapport à un montage classique à gain identique.
L' invention propose donc un procédé de contrôle du fonctionnement d'un transistor bipolaire fonctionnant en classe A, selon un montage émetteur commun ou base commune, dans lequel on asservit le produit du courant statique de collecteur par la résistance d'émetteur à une tension de référence prédéterminée dont la valeur est
égale, à une tolérance près, à 13 mV à la température de 27 C.
Les inventeurs ont en effet observé de facon surprenante que cette tension de référence permettait d'obtenir une valeur extrémement grande de l'IIP3, et par conséquent une très bonne linéarité, et ce quels que soient les autres paramètres de fonctionnement du transistor, et notamment son gain lorsqu'il est utilisé dans un montage en émetteur commun. Par ailleurs, il a été également observé que vis-à-vis d'un montage classique non asservi à cette valeur de 13 mV, la consommation de courant, c'est-à-dire le courant statique collecteur, est inférieure à la moitié du courant collecteur obtenu pour un tel
montage classique, à gain identique.
Il est par ailleurs particulièrement avantageux que la tension de référence so it dél ivr é e par un générateur du typ e prop ortionnel à la température absolue (générateur PTAT), ce qui permet de rendre les
performances ainsi obtenues très peu dépendantes de la température.
L'invention a également pour objet un dispositif électronique comportant: - une entrée pour recevoir un signal d'entrée, - un transistor bipolaire apte à fonctionner en classe A selon un montage émetteur commun ou base commune, relié à l'entrée et apte à délivrer sur son collecteur un courant de sortie, - un générateur de tension apte à délivrer une tension de référence prédéterminée dont la valeur est égale, à une tolérance près, à 13 mV à la température de 27 C, et - des moyens d'asservissement aptes à asservir le produit du courant statique de collecteur par la résistance d'émetteur à ladite
tension de référence.
Le générateur de tension est avantageusement du type
proportionnel à la température absolue.
Sel on un mode de réalisation de l' invention, les moyens d'asservissement sont rebouclés entre l'émetteur et la base du
transistor bipolaire.
L'impédance de sortie de la boucle d'asservissement est choisie préférentiellement grande par rapport à l' imp édance vue de la base du transistor, par exemple 100 fois plus grande. Ceci permet, en particulier lorsque le transistor est utilisé en montage émetteur commun, que le courant d'entrée ne soit pas injecté dans la boucle d'asservissement. Par ailleurs, il est également particulièrement avantageux que le gain de la boucle d'asservissement soit petit devant 1 à la fréquence de travail et à Af, o Af désigne l'écart fréquentiel entre les deux tons d' un test d' intermodulation à deux tons. On pourra choisir par exemple un gain égal à 1/100. En d'autres termes, la bande passante de la boucle d'asservissement est alors très inférieure à la fréquence utile du signal d'entrée. Ainsi, le gain du dispositif reste essentiellement égal au gain du transistor associé à sa résistance d'émetteur, l'influence du
gain de la boucle d'asservissement étant négligeable.
Selon un mode de réalisation, les moyens d'asservissement comportent un amplificateur différentiel dont une première entrée est connectée à l'émetteur du transistor, dont une deuxième entrée est connectée à la sortie du générateur de la tension de référence, et dont la sortie est connectée à la grille d'un transistor MOS, par exemple un transistor PMOS, lui-méme connecté entre la tension d'alimentation et
la base du transistor bipolaire.
Le dispositif selon l'invention est avantageusement réalisé sous
forme intogrce.
L'invention a également pour objet un terminal distant d'un système de communication sans fil, en particulier un téléphone mobile cellulaire, incorporant un étage de réception radio-fréquence
comportant un dispositif tel que défini ci-avant.
D 'autres avantage s et caractéristiques de l' inventi on
apparatront à l'examen de la description détaillée d'un mode de
réalisation et de mise en _uvre, nullement limitatif, et du dessin annexé sur lequel la figure unique représente très schématiquement un
mode de réali sation d'un di spo sitif selon l' inventi on.
Sur cette figure, la référence TP désigne un téléphone mobile cellulaire dont la chane de réception, par exemple, incorpore un
dispositif DD selon l'invention.
Ce dispositif comporte un transistor bipolaire BIP monté en émetteur commun, c'est-à-dire que le signal d'entrée radio-fréquence, qui est ici une tension d'entrée Vin, est reçu sur la base de ce transistor bipolaire BIP, via un condensateur de découplage C. Une résistance d'émetteur RE est par ailleurs connectée entre
l'émetteur du transistor bipolaire et la masse.
S Le courant de sortie de cet étage transconducteur est le courant de collecteur du transistor bipolaire. Bien entendu, le collecteur du transistor est relié à la tension d'alimentation par une charge de sortie, par exemple un mélangeur, non représentée ici à des fins de simplification. Le dispositif DD selon l'invention comporte par ailleurs des moyens d'asservissement MAS rebouclés entre l'émetteur et la base du
transistor bipolaire BIP.
Ces moyens d'asservissement MAS comportent ici un amplificateur différentiel CMP dont une première entrée est relice à l'émetteur du transistor BIP en un point ND situé entre cet émetteur et
la résistance d'émetteur RE.
L'autre entrée de l'amplificateur différentiel CMP reçoit une tension de référence prédéterminée Vref délivrée par un générateur de
tension GT du type proportionnel à la température absolue.
La sortie de l'amplificateur différentiel CMP est reliée à la grille d'un transistor PMOS référencé T. dont la source est reliée à la tension d'alimentation Vdd et dont le drain est relié à la base du
transistor bipolaire BIP.
Le transistor bipolaire BIP fonctionne en classe A. En d'autres 2S termes, le courant de sortie dynamique du transistor, c'est-à-dire lorsque le signal d'entrce +Vin est présent, est une sinusoïde dont la fréquence est égale à la fréquence utile du signal d'entrce, cette sinusoïde étant centrée sur le niveau correspondant au courant statique de collecteur du transistor bipolaire. Par ailleurs, puisque le transistor fonctionne en classe A, le courant de sortie dynamique n'est pas écrété, et l' amplitude de ce courant dynamique par rapport au niveau du courant statique collecteur reste inférieure au niveau de ce courant statique co llecteur, et le niveau de co urant moyen est égal au courant statique. Le courant circulant au n_ud ND, c' e st- à-dire le courant d'émetteur du transistor bipolaire, est au gain en courant 13 près du transistor, sensiblement égal au courant de collecteur Ic. La tension moyenne au n_ud ND est donc sensiblement égale au produit de la
résistance d'émetteur par le courant collecteur statique Ic.
Par ailleurs, le gain du dispositif DD est égal à gm/(l+A), o gm désigne le gain du transistor bipolaire BIP associé à sa résistance d'émetteur RE, et A désigne le gain de la boucle d'asservissement MAS. On choisira donc de prétérence un gain de la boucle d'asservissement le plus faible possible à la fréquence utile du signal d'entrée et à l'écartement Af des tons d'un test d'intermodulation à deux tons, de façon à avoir une bande passante de l'amplificateur différentiel très inférieure à la fréquence utile. A titre indicatif, on
pourra prendre A de l'ordre de 1/100.
Enfin, de par la présence du transistor T. l'impédance de sortie de la boucle d'asservissement MAS est très grande par rapport à l'impédance vue de la base du transistor bipolaire BIP. De ce fait, le courant d'entrée est quasiment totalement injecté dans la base du
transistor bipolaire BIP.
La source de tension GT est une source de tension proportionnelle à la température absolue. La structure d'une telle source classique est bien connue de l'homme du métier. En l'espèce, cette source de tension est prévue pour délivrer une tension de référence Vref égale à 13 mV à la température de 27 C. Plus généralement, la tension Vref en millivolts est égale à
13(t+273)/(27+273), o "t" désigne la température en degrés Celsins.
Ainsi, en fonctionnement, la tension moyenne au n_ud ND est t-elle constamment asservie à la tension de référence Vref, à la tension de décalage ("offset") près de l'amplificateur différentiel CMP. Plus précisément, la boucle trouvera son équilibre lorsque Vref et la tension
moyenne au n_ud ND seront égales à la tension de décalage près.
Ainsi, quel que soit le gain désiré pour le dispositif DD, 1'IIP3 est théoriquement infini lorsque la tension au n_ud ND est rigoureusement égale à 13 mV. En pratique, cette tension est égale à 13 mV à une tolérance près, par exemple plus ou moins 5%, en raison de la tension de décalage de l'amplificateur différentiel CMP. Dans ces conditions, le niveau d'intermodulation reste cependant très faible, et par conséquent la valeur de l'IIP3 reste très élevée. On obtient donc
une très bonne linéarité de ce dispositif transconducteur.
Parallèlement, pour un gain gm égal à 56 mS, et une résistance RE de l'ordre de 4 à 5 Ohms, on obtient un courant statique collecteur
de l'ordre de 2,2 mA au lieu de 6 mA dans un montage classique, c'est-
à-dire sans asservissement de la tension d'émetteur à 13 mV.
Par ailleurs, le dispositif DD présente un faible bruit sans dégradation du point de compression à 1 DB. On rappelle ici que le point de compression d'un étage amplificateur est la puissance d'entrée au-delà de laquelle la puissance de sortie correspondante s'écarte de 1 DB de la puissance de sortie théorique correspondant à un
fonctionnement linéaire de l'étage.
L' invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit mais en embrasse toutes les variantes. Ainsi, le même principe peut s'appliquer à un montage en base commune, dans lequel le signal d'entrée, qui est cette fois-ci un courant, est appliqué directement sur l'émetteur du transistor bipolaire. Les moyens d'asservissement MAS restent rebouclés entre l'émetteur et la base. On réalise alors un dispositif permettant un transfert d'impédance entre
l'entrée et la sortie, et ce, avec une excellente linéarité.
Par ailleurs, bien qu l'on ait décrit ci-avant un mode de réalisation à entrce unique, l' invention s'applique également à une
structure différentielle.
En outre d'autres modes de réalisation de la boucle d'asservissement sont possibles, par exemple en fixant la tension de la
base et en venant contrôler la tension d'émetteur.
Claims (10)
1. Procédé de contrôle du fonctionnement d'un transistor bipolaire fonctionnant en classe A selon un montage émetteur commun ou base commune, caractérisé par le fait qu'on asservit le produit du courant statique de collecteur (Ic) par la résistance d'émetteur (RE) à une tension de référence prédéterminée (Vref) dont la valeur est égale,
à une tolérance près, à 13mV à la température de 27 C.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la tension de référence est délivrée par un générateur (GT) du type
proportionnel à la température absolue.
3. Dispositif électronique, caractérisé par le fait qu'il comporte une entrée pour recevoir un signal d'entrée (+Vin), un transistor bipolaire (BIP) apte à fonctionner en classe A selon un montage émetteur commun ou base commune, relié à l'entrée et apte à délivrer sur son collecteur un courant de sortie, un générateur de tension (GT) apte à délivrer une tension de référence prédéterminée dont la valeur est égale, à une tolérance près, à 13mV à la température de 27 C, et des moyens d'asservissement (MAS) aptes à asservir le produit du courant statique de collecteur par la résistance d'émetteur à ladite
tension de référence.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le générateur de tension (GT) est du type proportionnel à la
température absolue.
5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que les moyens d'asservissement (MAS) sont rebouclés entre
l'émetteur et la base du transistor bipolaire.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'impédance de sortie de la boucle d'asservissement (MAS) est grande par rapport à l'impédance vue de la base du transistor, par exemple
100 fois plus grande.
7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que le gain de la boucle d'asservissement (MAS) à la fréquence utile du signal d'entrée et à l'écartement Af des tons d'un test d'intermodulation à deux tons, est petit devant 1, par exemple égal à
1/100.
8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé
par le fait que les moyens d'asservissement comportent un amplificateur différentiel (CMP) dont une première entrée est connectée à l'émetteur du transistor, dont une deuxième entrée est connectée à la sortie du générateur de tension de référence, et dont la sortie est connectée à la grille d'un transistor MOS (T) lui-même connecté entre la tension d'alimentation et la base du transistor bipolaire.
9. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé
par le fait qu'il est réalisé sous forme intégrée.
10.Terminal distant d'un système de communication sans fil, en particulier téléphone mobile cellulaire, caractérisé par le fait qu'il incorpore un étage de réception radiofréquence comportant un
dispositif selon l'une des revendications 1 à 9.
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