Il est en général difficile de gérer les signaux RF dans leurs circuits physiques. Les signaux haute fréquence intrinsèques (des fréquences du niveau du GHz et au-delà sont désormais courantes), apparaissent en général pour des niveaux de tension faibles (niveaux nominaux d'1 V maximum, mais souvent très inférieurs), accumulent rapidement un bruit provenant de plusieurs sources, sont aisément surchargés et manquent de capacité d'entraînement. Il est donc nécessaire d'utiliser un amplificateur RF (souvent abrégé en « ampli ») pour les modifier et les amplifier au niveau nécessaire.
Les amplificateurs RF remplissent trois fonctions principales (figure 1).
Figure 1 : ce symbole standard simple d'amplificateur utilisé dans les schémas ne rend pas compte de la grande diversité d'utilisations, d'applications, de fonctions ou de rôles que cet amplificateur doit jouer, bien qu'il n'assure aucun traitement du signal ni ne change pas sa forme (les connexions à l'alimentation et à la terre n'apparaissent pas ici.)
1) Gain : cela est nécessaire lorsque l'amplitude du signal RF est minuscule et trop faible pour être utile ailleurs dans le circuit, qu'elle doit être amplifiée afin d'éviter que le rapport SNR (signal-to-noise ratio, rapport signal/bruit) se dégrade à mesure que le signal traverse le reste du circuit, ou lorsque son amplitude doit correspondre à la plage d'entrée d'un composant tel qu'un convertisseur A/N. De nombreux signaux RF, par exemple ceux provenant d'une antenne, se trouvent dans la plage du microvolt (μV) ou du millivolt (mV). Or, les circuits de traitement du signal travaillent beaucoup plus efficacement avec des signaux dont la valeur maximale type s'étage de 1 à 10 V (selon la conception). Un amplificateur de gain ne s'intéresse qu'à une seule chose : amplifier le niveau du signal en lui ajoutant le moins possible de bruit ou de distorsion. Les amplificateurs de gain conçus pour être utilisés avec des signaux extrêmement faibles, tels que ceux émis par des antennes, sont en général appelés amplificateurs faible bruit (low-noise amplifiers, ou LNA). Certains amplificateurs RF offrent une seule valeur de gain fixe, tandis que d'autres permettent à l'utilisateur de sélectionner un gain fixe parmi plusieurs valeurs (par exemple, ×10 et ×100, ou ×2, ×4, ×8, ×16) à l'aide d'un cavalier ou d'une résistance externe. Un autre type d'amplificateur RF, appelé amplificateur à gain variable (variable gain amplifier, VGA), permet à l'utilisateur de fixer et de modifier le gain à volonté à l'intérieur d'une large plage à l'aide d'une résistance physique externe, d'une résistance programmable numériquement ou d'une tension de gâchette analogique (généralement entre 0 et 1 V).
2) Tampon : cela est nécessaire lorsque la fonction d'un circuit ou un signal doit conserver sa forme et son amplitude alors même que sa charge change ou lorsqu'il doit se connecter à une charge supérieure à ce qu'il peut normalement accepter (impédance inférieure ou réactive). Par exemple, un signal amplifié de ±1-V émis par une sortie d'antenne LNA peut devoir se connecter à un autre étage possédant une certaine inductance. Grâce à cet amplificateur tampon, la présence de cette inductance n'influe pas sur la fidélité du signal ±1-V et n'induit pas non plus de distorsion. Un amplificateur RF tampon peut également être utilisé pour amener (via un conjugué de nombre complexe) l'impédance de sortie du circuit qui sert de source à un signal à l'impédance de l'entrée de son circuit de charge afin d'obtenir un transfert de puissance maximal. Outre la plage de fréquences, une spécification critique des tampons est la plage des charges résistives et réactives qu'ils peuvent entraîner sans distordre le signal.
3) Pilote : le rôle principal d'un amplificateur RF est de servir de source ou de puits à suffisamment de courant à la fréquence de fonctionnement pour entraîner une charge basse impédance telle qu'un câble coaxial de 50 ou 75 Ω. Les pilotes RF peuvent également être considérés comme des amplificateurs de puissance RF lorsque leur rôle consiste à fournir un surcroît de puissance (courant et/ou tension) pour entraîner une charge telle qu'une antenne. La vitesse de balayage (dI/dt) et la capacité puits/source qu'ils doivent assurer avec un courant suffisant sont relativement élevées aux fréquences auxquelles ces amplificateurs RF fonctionnent, au-delà des capacités d'un amplificateur RF tampon généraliste.
Certains pilotes fournissent du gain, d'autres un gain unitaire fixe. En outre, ces pilotes se connectent souvent de façon non conventionnelle à des câbles et à des interfaces gérées par l'utilisateur. Ils sont donc généralement conçus pour supporter des courts-circuits sur les rails de terre ou d'alimentation c.c. (à la suite d'une erreur de l'utilisateur ou d'un défaut de connexion). Les paramètres clés de ces pilotes sont leur valeur nominale source/puits, ainsi que leur valeur de court-circuit et autres capacités à « supporter » les mauvaises connexions sur la durée et pour la tension appliquée.
Les exemples montrent la diversité des amplificateurs RF
Notez que certains amplificateurs RF combinent plusieurs fonctions de base en un même appareil. Par exemple, il est possible de trouver des tampons offrant également du gain. Dans certains cas, ils s'agit de choix intéressants en termes de nomenclature. Dans d'autres, le circuit nécessite des spécifications de performances qui ne peuvent être satisfaites que par des amplificateurs RF monofonction spécialisés qui ne présentent aucun des compromis inhérents, et parfois inévitables, des appareils multifonctions.
Le BGM781N11 d'Infineon Technologies AG, optimisé pour travailler à 1 575,42 MHz et destiné aux produits de positionnement par satellite GPS et Galileo (figure 2), est un bon exemple d'amplificateur RF faible bruit. Dans cette application, la puissance du signal RF est par définition extrêmement faible, si bien qu'un LNA de base doit fournir du gain avec très peu de bruit. Pour le BGM781N11, le gain est de 18,6 dB pour un bruit de 1,7 dB. Le rejet hors bande des bandes cellulaires adjacentes est de 80 dBc. L'appareil, qui se présente dans un package TSNP-11-2 sans plomb, ne nécessite que 3,3 mA provenant d'une alimentation de 1,5 à 3,6 V et comprend des filtres bande étroite pour limiter le bruit hors bande. Il est égalé en interne à l'entrée et à la sortie à 50 Ω pour l'entraînement et la charge, respectivement.
Figure 2 : l'amplificateur RF faible bruit Infineon BGM781N11 a été spécialement conçu pour amplifier les faibles signaux provenant de l'antenne d'un récepteur de positionnement satellite GPS ou Galileo. Non seulement il fournit du gain avec un faible niveau de bruit, mais il comprend également des filtres passe-bande pour supprimer les signaux de chaque côté de la porteuse de 1 575,42 MHz. (Source : Infineon Technologies)
Le LTC6431-20 de Linear Technology Corp. est un tampon de base à haute linéarité s'étendant aux fréquences au-delà de 1 GHz. Il offre peu de bruit et une faible dissipation de puissance (figure 3). Comme le composant Infineon, il est égalé en interne pour des interfaces 50 Ω sur l'entrée et la sortie de 20 MHz à 1,5 GHz, ce qui facilite l'interconnexion sur des modèles large bande.
Voir les produits connexes
Il peut fournir jusqu'à 20 dB de gain et sert essentiellement de tampon dans les étages IF de la chaîne RF. Le niveau de bruit de ce circuit intégré est de 2,6 dB à 240 MHz, avec 0,6 nV/√Hz de bruit total en entrée. Le tampon à sortie unique ne consomme que 93 mA pour une alimentation de 5 V.
Figure 3 : le LTC6431-20 de Linear Technology Corp. fonctionne au-dessus de 1 GHz et fournit un gain de +20 dB. En tant que tampon inter-étages, il rencontrera généralement une source de 50 Ω et une charge de 50 Ω et a donc été conçu pour répondre à ces impédances. (Source : Linear Technology)
Un autre exemple représentatif des amplificateurs RF d'attaque est l'Avago Technologies’ MGA-30489, un appareil de 0,25 W fortement linéaire dans un package SOT-89 plastique standard, conçu pour fonctionner entre 250 MHz et 3 GHz (figure 4). Son impédance peut facilement être égalée avec l'infrastructure 50 Ω sans fil standard utilisée dans des applications telles que les technologies cellulaires/PCS/W-CDMA/WLL et les technologies sans fil de nouvelle génération afin d'obtenir une puissance et une linéarité optimales sur toute la bande. Il fonctionne avec une alimentation de 5 V, nécessite 97 mA (type), avec un niveau de bruit de 3 dB et un gain fixe de 13,3 dB.
Figure 4 : l'amplificateur d'attaque MGA-30489 RF d'Avago Technologies peut fournir une puissance RF jusqu'à 0,25 W de 250 MHz à 3 GHz et convient particulièrement pour des câbles coaxiaux et des antennes. (Source : Avago Technologies)
Le terme simple « d'amplificateur RF » englobe en réalité une très large gamme de fonctions d'amplification sur le spectre RF, depuis quelques MHz jusqu'à plusieurs GHz. Bien que l'amplificateur RF ne modifie pas la forme du signal et n'effectue aucun traitement du signal analogique, il joue des rôles essentiels et différents à chaque étage de la chaîne du signal. C'est le cas notamment de l'amplification de base typiquement effectuée par un LNA, de la correspondance entre la plage du signal et celle du convertisseur, ou lorsque l'amplificateur agit comme un tampon pour les signaux RF afin que chaque étage de la chaîne du signal fonctionne plus ou moins indépendamment des étages précédents et suivants, ou encore lorsqu'il fournit la puissance de signal nécessaire pour entraîner une faible impédance ou des charges non résistives à haut débit avec un minimum de distorsion.
Certains paramètres des amplificateurs RF sont communs à l'ensemble de ces applications (et à d'autres), mais il existe également d'autres paramètres, plus importants et plus marquants dans certaines fonctions d'amplificateurs RF que dans d'autres. En outre, il existe des amplificateurs RF qui combinent au moins deux fonctions d'amplification basique, ce qui n'empêche pas les appareils monofonctions de rester populaires du fait de leur capacité à fournir des performances maximales en cas de besoin.