ADAPTATION DYNAMIQUE DE LA COMPRESSION D'UN AMPLIFICATEUR RF POUR DES SIGNAUX MODULÉS EN AMPLITUDE ET EN PHASE

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1 ADAPTATION DYNAMIQUE DE LA COMPRESSION D'UN AMPLIFICATEUR RF POUR DES SIGNAUX MODULÉS EN AMPLITUDE ET EN PHASE THÈSE N O 3020 (2004) PRÉSENTÉE À LA FACULTÉ SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR Institut de microélectronique et microsystèmes SECTION D'ÉLECTRICITÉ ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Nicolas SCHLUMPF ingénieur électricien diplômé EPF de nationalité suisse et originaire de Genève (GE) acceptée sur proposition du jury: Prof. M. Declercq, directeur de thèse M. C. de Prost, rapporteur Prof. Q. Huang, rapporteur Dr F. Krummenacher, rapporteur Prof. J.-R. Mosig, rapporteur Lausanne, EPFL 2004

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4 iv Remerciements Mon travail de thèse touche à sa fin et c est pour moi l occasion de remercier toutes les personnes qui ont contribué à son aboutissement. En premier lieu, je tiens à remercier le Professeur Michel Declercq pour sa confiance et l opportunité qu il m a donné de travailler dans son laboratoire. Je remercie également François Krummenacher pour ses excellents conseils techniques, Catherine Dehollain pour la gestion du projet européen MuMor, Joseph Guzzardi et Isabelle Buzzi pour leur disponibilité et leur efficacité. Mes remerciements s adressent aussi aux collègues avec qui j ai partagé le bureau et qui par leur bonne humeur ont contribué à maintenir une bonne ambiance de travail. Je pense à Cédric Bassin, Sergio Pesenti que je remercie aussi pour ses conseils linguistiques en anglais et Pascal Monney. Je ne manquerai pas de citer tous les autres collègues qui m ont aidé par une aide ponctuelle ou un soutien moral, en particulier Jari Curty, Patrice Beaud, Norbert Joehl, Didier Bouvet, Cédric Meinen, Alexandre Vouilloz, Tristan Reimann, Hussein Ballan et Renzo Magnin. Pour terminer, j aimerais remercier mon épouse Hélène et ma fille Lucie ainsi que toute ma famille pour leur soutient.

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7 RÉSUMÉ Les amplificateurs de puissance RF font face au compromis linéarité, rendement en puissance. Dans la téléphonie mobile, les PAs utilisés sont de classe AB. De manière simplifiée, la classe A possède une bonne linéarité mais un mauvais rendement en puissance alors que pour la classe B, c est l opposé. Par ailleurs, la tendance pour les nouveaux standards téléphoniques est de maximiser le débit par rapport à la bande fréquentielle occupée. Il en résulte des modulations dont l enveloppe n est pas constante. La linéarité du PA pour ce type de modulation est de première importance. En effet, toute non linéarité engendre des produits d intermodulation qui perturbent les canaux adjacents. Il existe donc un intérêt pour maintenir le rendement en puissance d un amplificateur de puissance (PA) RF, dit linéaire de classe A ou AB, sans compromettre ses performances de linéarité. Un moyen d y parvenir est d adapter de manière dynamique l alimentation du PA en fonction de l enveloppe du signal RF afin d éviter toute compression de son signal de sortie. Cette adaptation doit se faire en fonction de l enveloppe, c est-à-dire jusqu à 3.84MHz dans le cas du standard UMTS et 1.2MHz dans le cas du standard IS-95, le tout avec un rendement élevé pour diminuer la consommation. L étude porte d une part sur l étude du système et d autre part sur la conception et la réalisation d un modulateur intégré en technologie CMOS 0.35µm. Ce modulateur est capable de détecter l enveloppe d un signal RF dont la fréquence centrale se situe autour de 1900MHz et de convertir cette enveloppe en une alimentation dynamique pour un PA externe. Les problèmes relatifs à cette méthode sont la transformation d un niveau d enveloppe RF faible en une alimentation variable à haut rendement, la fréquence élevée de l enveloppe et la cohabitation sur un même circuit

8 viii intégré de signaux RF faibles (100µW ) avec une alimentation à découpage délivrant une puissance de quelques centaines de milliwatts.

9 B.6. Simulation du PA RF 207 simplification stabilisation étape 1 étape 2 étape 3 L c1 C c adaptation d'entrée r s L b r bb L c c µ c µ c µ adaptation de sortie gm C c 50Ω vbo vbi L c vc gm L c2 C stab Rstab gm 50Ω r π c π r bb + r s r bb + r s 1 >> r bb + r ω cπ s & r bb + r s <r π Fig. B.5: Instabilité du PA à basse fréquence R R+j X, Ohm X -20 Fig. B.6: Impédance d un composant de type "bead"

10 208 B. Conception du PA Var 1 Ref v12 vo voo GOAL GOAL GOAL GOAL GOAL GOAL AC Var Var Var OPTIM Fig. B.7: Optimisation simultanée du gain, de la terminaison, de la charge optimum et de la stabilité

11 B.6. Simulation du PA RF 209 abs(s21), db mesure abs(s11), db & abs(s31), db mesure S31 S11 abs(s22), db mesure abs(s12), db mesure k b Re(Zopt), Ohm Im(Zopt), Ohm Fig. B.8: Mesure et des paramètres S

12 210 B. Conception du PA

13 PUBLICATIONS N.Schlumpf, M.Declercq and C.Dehollain, A fast modulator for dynamic supply linear RF power amplifier European Solid-State Circuits Conference, Sept. 2003, Pages : N.Schlumpf, M.Declercq and C.Dehollain, A fast modulator for dynamic supply linear RF power amplifier "Invited regular paper" accepté pour publication dans le "Journal Solid- State Electronics", en juillet 2004

14 212 B. Conception du PA

15 CURRICULUM VITAE Nom : SCHLUMPF Prénom : Nicolas Date de naissance : 16 octobre 1967 Lieu de naissance : Genève, Suisse Lieu d origine : Genève (GE) Etat civil : Marié, 1 enfant Adresse privée : Sentier des Morettes 1A, CH-1197 Prangins Etudes : Diplôme d Ingénieur Electricien EPFL Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne Diplôme d Ingénieur ETS en électronique Ecole d Ingénieurs de Genève Activités professionnelles : Ingénieur R&D en électronique Robert Bosch SA, CH-1027 Lonay Ingénieur R&D en électronique LeCroy SA, CH-1217 Meyrin Ingénieur R&D en électronique à temps partiel (20%) Valtronic SA, CH-1343 Les Charbonnières Assistant de recherche au Laboratoire d Électronique Générale École Polytechnique Fédérale de Lausanne, CH-1015 Lausanne