Des amplificateurs RF/FI avec OIP3 de 47dBm/50dBm à 240 MHz facilitent la réalisation et garantissent la performance

Par Greg Fung, Ingénieur de conception, Produits de conditionnement du signal, Linear Technology Corporation

La bande passante limitée de nos infrastructures de communication est presque saturée par notre soif de données transmises avec des smartphones, téléviseurs, GPS et Wifi. Pour étancher cette soif, les architectes en télécommunications définissent des systèmes qui font transiter de plus en plus de données dans une bande passante limitée, mais ces améliorations du débit de données ont un prix : la nécessité d’une plus grande fidélité d’émission et de réception des chaînes de signaux.

Quand il s’agit des amplificateurs, un faible bruit et une haute linéarité sont nécessaires pour reproduire un signal sans dégrader le signal original. A un faible niveau de signal, le bruit indésirable doit être suffisamment bas pour permettre au signal concerné de passer au-dessus du seuil de bruit. A un niveau élevé de signal, un amplificateur linéaire doit empêcher les harmoniques et les produits d’intermodulation indésirables de masquer le signal concerné. Les LTC6431-15 et LTC6430-15 atteignent ces deux objectifs.

Les LTC6431-15 et LTC6430-15 sont deux amplificateurs à gain fixe qui présentent un OIP3 (linéarité) très élevé avec un très faible bruit associé. Le LTC6431-15 est un bloc de gain FI (fréquence intermédiaire) / RF (radio fréquence) asymétrique qui peut commander directement une charge de 50 ohm, tandis que le LTC6430-15 est un bloc de gain RF/FI différentiel avec une puissance supérieure et une bande passante linéaire encore plus large. Ces blocs amplificateurs combinent performance de pointe et facilité d’utilisation, éliminant les difficultés de mise en œuvre grâce à une gestion intégrée de la polarisation, de l’adaptation d’impédance, de la compensation de température et de la stabilité.

Facteur de bruit faible pour les signaux d’entrée faibles

Le bruit limite la sensibilité d’un système de communication lorsque le signal d’entrée est faible. Dans un système de communication, le bruit est caractérisé par le rapport de bruit (Noise Figure ou NF) qui est égal au rapport de la puissance signal sur bruit à l’entrée divisé par le rapport de la puissance signal sur bruit à la sortie exprimés en décibels. Il y a toujours du bruit à l’entrée d’un amplificateur et il est amplifié tout le long de la chaîne avec le signal désiré. Le facteur de bruit (NF) est un indicateur de la quantité de bruit indésirable ajoutée au signal par l’amplificateur lui-même. Idéalement, l’amplificateur devrait avoir un facteur de bruit de 0 dB, mais tout amplificateur réel ajoute du bruit, aussi le but est de minimiser cet ajout de bruit. Les amplificateurs FI habituels ont des facteurs de bruit de 3 dB à 12 dB. Les LTC6431-15 et LTC6430-15 présentent tous deux un facteur de bruit de 3,3 dB à 240 MHz.

Un OIP3 impressionnant terrasse les produits d’intermodulation

La linéarité limite la possibilité d’isoler le signal désiré des signaux indésirables dans le domaine fréquentiel. A un niveau de signal élevé, le signal désiré est largement au-dessus du seuil de bruit et le bruit ne pose pas de problème, mais la linéarité d’un amplificateur devient beaucoup plus importante.

Comme on le voit en figure 1, si un signal sinusoïdal est injecté dans un amplificateur non linéaire, le résultat est le signal désiré, plus ses harmoniques. Normalement, ces harmoniques peuvent être filtrés, parce qu’ils sont suffisamment éloignés du signal désiré. Si on injecte deux signaux sinusoïdaux dans un amplificateur non linéaire, le résultat est un mélange bien plus complexe des deux signaux désirés et d’une multitude de signaux indésirables comprenant les harmoniques des deux signaux d’entrée, la somme et la différence de ces deux signaux, et d’autres produits d’intermodulation (figure 2).

Les produits d’intermodulation (IM3, soit 2f1 – f2 et 2f2 – f1) sont un sous-ensemble de ces signaux indésirables et ils sont particulièrement pénalisants. Les produits IM3 peuvent se trouver très près de la fréquence des signaux désirés, ce qui rend leur filtrage pratiquement impossible.

La linéarité d’un amplificateur est le plus souvent caractérisée par le point d’interception du 3ème ordre (OIP3), le point hypothétique où la courbe puissance des produits d’intermodulation d’ordre 3 (IM3) coupe la courbe de puissance de la fréquence fondamentale. Le LTC6431-15 présente très peu de produits IM3 et, de ce fait, son OIP3 est très bon. La réduction des produits IM3 est particulièrement importante quand un canal bloqueur (interférence) ou adjacent se trouve à proximité, parce que les produits IM3 augmentent trois fois plus vite que les signaux désirés. Ceci limite la puissance de sortie acceptable, et donc la puissance d’entrée que l’amplificateur peut traiter sans distorsion du signal désiré.

Le bruit (caractérisé par le quotient de bruit NF) limite la sensibilité d’un amplificateur aux faibles amplitudes du signal d’entrée, tandis que la linéarité (caractérisée par OIP3) limite la sensibilité aux amplitudes élevées. Ensemble, ces deux caractéristiques NF et OIP3, définissent la dynamique utile d’un amplificateur pour un signal.

Une linéarité élevée résout les problèmes de communications les plus ardus

Le LTC6431-15 présente un OIP3 typique de 47 dBm à 240 MHz, repoussant essentiellement les produits IM3 sous le seuil de bruit pour qu’ils n’interfèrent pas avec le signal désiré (figure 3). Pour ne pas être en reste, le LTC6430-15 présente un OIP3 de 50 dBm à 240 MHz. Les deux amplificateurs présentent une très large dynamique qui, combinée à leur facteur de bruit de 3,3 dB, relève le défi des gros débits de données en conservant leur haute fidélité avec des signaux forts comme avec des signaux faibles.

Facile à mettre en œuvre

La réalisation d’un étage amplificateur RF/FI n’a pas toujours été facile. Traditionnellement, le concepteur doit d’abord s’occuper de la polarisation du circuit. Le LTC6431-15 comporte un circuit de polarisation interne qui ne nécessite que 90 mA sur une alimentation 5 V, tandis que le LTC6430-15 a besoin de 160 mA sur une alimentation unique de 5 V.

Le circuit de polarisation interne optimise le point de fonctionnement du circuit pour une linéarité maximum. Un circuit de compensation de température maintient la performance lors des changements de l’environnement et évite un emballement du courant à haute température. Ces circuits comportent aussi un régulateur de tension interne pour minimiser les variations de performances dues aux imperfections de l’alimentation.

Un amplificateur RF/FI doit aussi comporter une adaptation d’impédance en entrée et en sortie pour maximiser le transfert de puissance et minimiser les réflexions. C’est habituellement une tâche itérative qui prend beaucoup de temps. Le concepteur doit ainsi ajouter des réseaux en entrée et en sortie pour adapter l’impédance de l’amplificateur à l’impédance du système, habituellement 50ohm. Ces réseaux d’adaptation altèrent à leur tour le facteur de bruit et l’OIP3 de l’amplificateur, qu’il faut souvent dégrader pour obtenir une adaptation d’impédance raisonnable.

Les amplificateurs LTC6431-15 et LTC6430-15 adaptent en interne leur impédance d’entrée et de sortie dans la bande 20 MHz – 1700 MHz, simplifiant la conception tout en préservant leur facteur de bruit et leur OIP3. Le LTC6431-15 asymétrique a une adaptation d’impédance de 50 ohm en entrée et en sortie, alors que le LTC6430-15 a une adaptation d’impédance différentielle de 100 ohm en entrée et en sortie. Ceci permet d’insérer facilement ces circuits dans diverses applications sans éléments d’adaptation supplémentaires.

Une stabilité et une performance garanties

Les LTC6431-15 et LTC6430-15 sont inconditionnellement stables lorsqu’ils sont mis en œuvre avec nos circuits d’application. Les versions de qualité A du LTC6431-15 sont caractérisées individuellement pour l’OIP3 à 240 MHz, garantissant un OIP3 minimum de 44 dBm. De même, les versions de qualité A du LTC6430-15 sont caractérisées individuellement pour l’OIP3 à 240 MHz, garantissant un OIP3 minimum de 47 dBm.

Une nouvelle catégorie d’amplificateurs RF

Linear Technology a une réputation de longue date dans la production d’amplificateurs opérationnels qui traitent les signaux basse fréquence avec un bruit et une distorsion minimums. Bien que les LTC6431-15 et LTC6430-15 ne puissent pas amplifier les signaux en courant continu comme les amplis op, ils peuvent amplifier des signaux jusqu’à 2 GHz. Les amplis-op cessent habituellement de fonctionner au dessus de 200 MHz.

Avec un ampli-op, il faut habituellement ajouter une rétroaction pour régler le gain. L’augmentation du gain d’un ampli-op via la rétroaction réduit encore la bande passante de fonctionnement. D’un autre côté, nos amplificateurs RF présentent un gain fixe de 15 dB. La solution RF n’a pas la souplesse d’un réglage du gain, mais la bande passante utilisable dépasse largement celle qui peut être obtenue avec un ampli-op.

Les amplis-op sont conçus pour commander des charges de haute impédance, tandis que les amplificateurs LTC6430/31 peuvent commander une charge de 50 ohm et fournir une puissance réelle dans une large plage de fréquences (20 MHz – 1700 MHz). Contrairement à un ampli-op, cette conception basée sur la RF ne nécessite pas de résistances de terminaison en entrée ni en sortie, parce que l’adaptation d’impédance est faite en interne. Des résistances de terminaison à l’entrée ajoutent du bruit et des résistances de terminaison à la sortie réduisent la puissance fournie à la charge. De ce fait, la solution d’amplificateur RF permet de meilleurs facteurs de bruit et linéarité. Les amplificateurs LTC6430-15 et LTC6431-15 constituent une solution supérieure pour les applications en signaux alternatifs qui ne nécessitent pas un couplage en courant continu.

Amplificateur asymétrique 50 ohm  LTC6431-15

Le LTC6431-15 asymétrique est une solution idéale pour de nombreuses applications. Il excelle comme amplificateur FI pour supprimer les pertes de filtrage, ou comme driver de convertisseur A/N utilisé avec un transformateur balun. Avec sa large bande passante, le LTC6431-15 peut couvrir toute la bande CATV de télévision par câble.

La figure 4 présente un amplificateur FI asymétrique, et la figure 5 présente une carte d’évaluation LTC6431-15 100 MHz – 1700MHz et ses performances.

Applications du LTC6430-15 différentiel

Les entrées et sorties différentielles du LTC6430-15 destinent ce dernier à une variété d’applications système. Dans les exemples suivants, les performances de linéarité, de faible bruit et de large bande du LTC6430-15 sont vérifiées.

Dans le premier exemple, ses sorties différentielles s’adaptent bien aux entrées différentielles d’un convertisseur A/N. Le LTC6430-15 a une entrée et une sortie adaptées en interne à 100 ohm. Cette valeur est une impédance qui convient bien pour attaquer des convertisseurs A/N haute vitesse. Ensuite, en utilisant des transformateurs balun 2:1 dans une configuration adaptée, le LTC6430-15 assure une amplification large bande avec une faible distorsion dans 50 ohm. Enfin, en utilisant des transformateurs balun 1,33:1, le LTC6430-15 peut être adapté à un système 75 ohm pour fournir une amplification de toute la bande CATV de télévision par câble.

Driver de convertisseur A/N

Le LTC6430-15 est idéal comme driver de convertisseur A/N haute vitesse haute résolution. Le défi dans ces applications est de commander des entrées de convertisseur A/N non bufférisées à leur niveau désiré de tension tout en préservant le rapport signal/bruit (SNR) et la dynamique exempte de parasites (SFDR) du convertisseur. Comme le montrent les mesures de performance du circuit d’évaluation, le LTC6430-15 peut commander le LTC2158 (double convertisseur A/N 14 bits à 310 MEch/s) dans toute sa bande passante d’entrée avec une très faible dégradation des SFDR et SNR.

Le tableau 1 affiche la dégradation minimale des SNR et SFDR pour ce convertisseur A/N haute vitesse et haute résolution. La haute linéarité et le faible bruit du LTC6430-15 permettent au concepteur de commander le convertisseur A/N avec un filtrage minimum à l’entrée du convertisseur. Toutes les mesures sont effectuées sur un circuit d’application unique sans réglage des réseaux d’adaptation. Ceci confirme les performances de bande passante et de linéarité du LTC6430-15.

Un amplificateur adapté attaque des charges 50 ?

En utilisant une paire appropriée de transformateurs balun 2:1, le LTC6430-15 assure une amplification large bande à faible bruit et faible distorsion. Dans cette configuration adaptée, l’amplificateur est adapté à une impédance de 50 ? à l’entrée et à la sortie. Cette configuration a aussi l’avantage de supprimer la distorsion de 2ème ordre qui est critique dans des applications large bande plusieurs octaves.

Malheureusement, un seul balun ne peut pas couvrir toute la bande de fonctionnement du LTC6430-15. Linear Technology propose de nombreux circuits d’évaluation qui couvrent la bande désirée de l’amplificateur. Adaptés en conséquence à 50 ? pour faciliter la caractérisation du test, ces circuits d’évaluation soulignent aussi la performance du LTC6430-15 lorsqu’il est utilisé dans une application purement différentielle sans les baluns.
Ces résultats montrent l’importance du choix d’un transformateur balun correct pour la fréquence désirée. En raison de leur bande passante limitée, les transformateurs balun limitent la performance du LTC6430-15. Ensemble, ces trois circuits adaptés montrent la linéarité et la large bande passante qui peuvent être obtenues avec le LTC6430-15.

Application CATV – télévision par câble

Un circuit d’application CAT de télévision par câble est le dernier exemple de la polyvalence du LTC6430-15. La télévision par câble représente un défi particulier pour un amplificateur. Souvent, la bande passante désirée couvre plus de quatre octaves et l’amplificateur doit avoir un gain constant et une impédance adaptée à l’environnement 75 ohm. Le grand nombre de canaux exige une excellente linéarité du 3ème ordre et en raison de l’environnement à octaves multiples, les produits de 2ème ordre doivent aussi être supprimés. Le LTC6430-15 relève ces défis en utilisant une paire de baluns 1,33:1 pour transformer son impédance différentielle de 100 ? en 75 ?.

Etant donné son faible bruit, ses distorsions de 2ème et de 3ème ordre réduites et son gain constant, ce circuit peut prendre en compte les exigences de la télévision par câble avec une consommation de seulement 800 mW sur une alimentation 5 V.

Un processus silicium pour une meilleure reproductibilité

Les LTC6431-15 et LTC6430-15 sont fabriqués en utilisant un processus BiCMOS SiGe de haute performance à la différence d’autres blocs de gain RF fabriqués en utilisant des transistors GaAs. L’utilisation d’un processus silicium permet une meilleure reproductibilité par rapport aux processus GaAs comparables. La technologie BiCMOS permet également à Linear d’intégrer des fonctions d’annulation de distorsion, de contrôle de polarisation et de régulation de tension dans ces circuits.

Conclusion

Pour répondre aux demandes des standard de télécommunications modernes, et pour simplifier les conceptions RF/IF, les LTC6431-15 et LTC6430-15 offrent les meilleures performances de bruit et de linéarité de leur catégorie avec la dissipation de puissance la plus basse. Ils sont faciles à utiliser, polyvalents, et ces performances sont garanties dans une gamme étendue de conditions.

Tableau 1. Résumé des résultats en fonction de la fréquence d’un circuit d’évaluation de driver de convertisseur A/N
Source: zellercom.com