Como mellorar a eficiencia do amplificador de potencia RF?

As leis básicas da termodinámica revelan que ningún equipo electrónico pode lograr unha eficiencia do 100%, aínda que as fontes de alimentación de conmutación son relativamente próximas (ata o 98%). Por desgraza, calquera dispositivo que xera enerxía de RF actualmente non pode alcanzar o rendemento ideal, ou está preto do seu rendemento, porque hai demasiados defectos no proceso de conversión de corrente continua en potencia de produto de RF, incluída a perda causada por toda a a frecuencia de funcionamento Perda de tempo e a perda característica inherente ao dispositivo. Como resultado, un artigo do MIT Technology Review comentaba sen cerimonias sobre o amplificador de potencia de RF: "É un hardware moi ineficiente".

Non en balde, todos os aspectos dos fabricantes de produtos de enerxía RF, desde semicondutores ata amplificadores e transmisores, así como universidades e o Departamento de Defensa, gastan moito tempo e recursos económicos cada ano para mellorar a eficiencia dos dispositivos de enerxía RF. Hai moitas razóns para iso: incluso un lixeiro aumento da eficiencia pode prolongar o tempo de traballo dos produtos con batería e reducir o consumo anual de enerxía das estacións base sen fíos. A figura 1 mostra a proporción da parte de RF ao consumo total de enerxía da estación base.

Figura 1: engadindo as partes relevantes de varios produtos de radiofrecuencia no consumo de enerxía da estación base, o resultado final será bastante grande.

Afortunadamente, despois de anos de esforzos continuos para mellorar a eficiencia de radiofrecuencia, estas condicións están cambiando gradualmente. Algunhas destas tarefas atópanse a nivel de dispositivo, mentres que outras empregan algunhas tecnoloxías innovadoras, como o seguimento de envolturas, esquemas de predistorsión dixital / redución do factor de crista e o uso de amplificadores máis avanzados que os niveis comúns de clase AB.

Un cambio importante no deseño de amplificadores é a arquitectura Doherty, que se converteu no estándar para amplificadores de estación base nun prazo de 5 anos. Dende que o doutor Doherty de Bell Laboratories (que entón pasou a formar parte de Westinghouse Electric) inventou esta arquitectura en 1936, estivo en silencio a maior parte do tempo e só se usou en poucas aplicacións.

A investigación de Doherty creou unha nova estrutura de amplificador que pode proporcionar unha eficiencia de enerxía engadida extremadamente alta cando o sinal de entrada ten unha relación pico-media (PAR) moi alta. De feito, se se deseña correctamente, a eficiencia dos amplificadores Doherty pode aumentar entre un 11% e un 14% en comparación cos amplificadores AB de clase paralela estándar.

Por suposto, durante moitos anos despois de 1936, só algúns tipos de sinais posúen estas características, como AM e FM, que utilizan esquemas de modulación nos sistemas de comunicación. Na actualidade, case todos os sistemas sen fíos xeran sinais PAR elevados, desde WCDMA ata CDMA2000 ata calquera sistema que utilice multiplexación de división de frecuencia ortogonal (OFDM), como WiMAX, LTE e, máis recentemente, Wi-Fi.

Figura 2: Un amplificador Doherty típico

O amplificador Doherty clásico (Figura 2), que se pode clasificar como unha arquitectura de modulación de carga, está composto realmente por dous amplificadores: un amplificador portador polarizado para funcionar en modo clase AB e un amplificador de pico polarizado en modo clase C. Un divisor de potencia divide o sinal de entrada por igual a cada amplificador cunha diferenza de fase de 90 °. Despois da amplificación, o sinal resíntese a través do acoplador de potencia. Os dous amplificadores funcionan ao mesmo tempo cando o sinal de entrada está no seu máximo e cada un compórtase como unha impedancia de carga para maximizar a potencia de saída.

Non obstante, a medida que baixa a potencia do sinal de entrada, o amplificador de pico clase C está apagado e só funciona o amplificador portador de clase AB. A niveis de potencia máis baixos, o amplificador portador de clase AB compórtase como unha impedancia de carga modulada para mellorar a eficiencia e a ganancia. Coa renovada vitalidade da arquitectura, o deseño do amplificador Doherty avanzou significativamente nas iteracións rápidas e obtivo un gran éxito.

Por suposto, ningunha arquitectura é perfecta. A linealidade e a potencia de saída do amplificador Doherty son lixeiramente peores que o amplificador AB de dobre clase. Isto tráenos outro circuíto importante que se converteu nunha opción indispensable no ambiente de comunicación actual: a tecnoloxía de linealización analóxica e dixital. A tecnoloxía máis utilizada é a predistorsión dixital (DPD), ás veces combinada coa redución do factor de crista (CFR). Tanto DPD como CFR poden reducir moito a distorsión de Doherty, e o deseño coidadoso do dispositivo e do amplificador pode minimizar a perda de linealidade. Non obstante, non están estrictamente definidos para o seu uso en amplificadores Doherty, e os seus efectos son bastante obvios cando se usan noutras estruturas de amplificador.

1. Mellorar a linealidade

A moderna tecnoloxía de modulación dixital require que a linealidade do amplificador sexa suficientemente alta, se non, producirase distorsión de intermodulación e reducirase a calidade do sinal. Desafortunadamente, cando os amplificadores funcionan ao máximo, todos están preto dos seus niveis de saturación. Máis tarde, fanse non lineais, a potencia de saída de RF baixa a medida que aumenta a potencia de entrada e comezan a aparecer distorsións significativas. Esta distorsión pode causar conversacións entre canles ou servizos adxacentes. Como resultado, os deseñadores normalmente retroceden a potencia de saída de RF a unha "zona segura" para garantir a linealidade. Cando fan isto, son necesarios varios transistores de RF para acadar unha potencia de saída de RF determinada, o que aumentará o consumo de corrente e producirá unha duración da batería menor ou custos operativos máis elevados nas estacións base.

DPD introduce efectivamente "anti-distorsión" na entrada do amplificador, eliminando a non linealidade do amplificador. Como resultado, o amplificador non necesita volver ao punto de operación óptimo e, polo tanto, non se requiren máis dispositivos de potencia RF. A medida que os amplificadores son máis eficientes, os beneficios son os custos de refrixeración reducidos e todo o consumo de enerxía importante. Cando CFR funciona, a distorsión compróbase continuamente reducindo a relación pico-medio do sinal de entrada. Este método reduce o valor máximo do sinal para que o sinal non cause recortes nin distorsións ao pasar polo amplificador. Cando DPD e CFR se usan xuntos, pódese conseguir unha maior ganancia.
2. Método do amplificador de potencia fóra de fase

Outra tecnoloxía é unha tecnoloxía patentada inventada e mantida por Henri Chireix hai case 80 anos. Normalmente chámase "outphasing" (amplificador de potencia de superación de fase, membro da familia de tecnoloxía de modulación de carga). Actualmente é usado por Fujitsu, NXP, etc. Para mellorar a eficiencia do amplificador. Combina dous amplificadores de potencia non lineais de RF, que son accionados por sinais de diferentes fases. Debido a que a fase está controlada, cando se acopla o sinal de saída, o uso de amplificadores de potencia RF de clase B pode lograr ganancias de eficiencia. Coidadosas técnicas de deseño, especialmente seleccionando a reactancia adecuada, poden optimizar o sistema a unha amplitude de saída específica, o que traerá o dobre de aumento de eficiencia (polo menos en teoría).

Fujitsu anunciou o ano pasado que adoptou o método de extinción nun determinado amplificador de potencia, integrando un circuíto de acoplamento de potencia compacto e de baixa perda e cun circuíto de compensación de corrección de erros de fase baseado en DSP, que é o 65% do tempo de transmisión común a amplificadores existentes. , O tempo de transmisión do amplificador pode superar o 95%. Para probar o deseño, a potencia máxima deste amplificador de potencia pode alcanzar os 100 vatios; a eficiencia eléctrica media increméntase do 50% ao 70%.

O sinal de entrada divídese en dous sinais con amplitude e cambios de fase constantes. A amplitude configúrase segundo o dispositivo de enerxía RF e o circuíto de acoplamento de enerxía reconstrúe a forma de onda do sinal de orixe. Anteriormente, cando se reconstruía o sinal de orixe, a perda de precisión do acoplamento era necesaria para determinar a diferenza de fase, o que impedía a comercialización desta tecnoloxía. O acoplador usado por Fujitsu ten un percorrido de sinal máis curto, o que reduce a perda e aumenta o ancho de banda.

3. O prometedor desenvolvemento de NXP

Unha variante do mecanismo Outphasing sen efecto de modulación de carga chámase Amplificador lineal de concepto non lineal (LINC), que usa un acoplador e un amplificador separados para conducir ata a saturación e pode mellorar efectivamente a linealidade e a eficiencia máxima. Non obstante, a eficiencia dos amplificadores LINC é relativamente baixa, porque cada amplificador funciona a unha potencia constante, incluso a baixos niveis de saída de RF. Chireix corrixiu isto combinando a efase cun acoplador non separado e a modulación de carga para aumentar a eficiencia media. NXP Semiconductors mellorou aínda máis, empregando o outphasing para controlar dous amplificadores RF en modo conmutador para adaptalos a sinais de alto factor de crista. A compañía combina a tecnoloxía Chireixoutphasing con amplificadores de clase E de conmutación GaN HEMT (Figura 3).

Figura 3: diagrama de bloques do amplificador de potencia fóra de fase simplificado de Chireix

A nova tecnoloxía de controladores desenvolvida e patentada por NXP permite ao amplificador alcanzar unha alta eficiencia nun ancho de banda de aproximadamente o 25% controlando a relación de fase. Isto levou a unha nova arquitectura que combina amplificadores de clase E e modulación de carga para manter a alta eficiencia dos amplificadores cando saen da saturación, o que lles permite adaptarse a varias formas de onda complexas. NXP proporcionou un deseño de referencia para o amplificador de potencia RF de clase E baseado en dispositivos GaN e achegou información técnica relacionada con Chireix.

4. Seguimento do sobre

Outra tecnoloxía clave á que prestan atención os deseñadores de amplificadores é o seguimento de envoltorios. Nesta tecnoloxía, a tensión aplicada ao amplificador de potencia axústase continuamente para garantir que funciona na rexión de pico para maximizar a potencia. En comparación coa tensión fixa proporcionada polo convertedor DC-DC nun deseño típico de amplificador de potencia, a fonte de alimentación de seguimento da envoltura modula a fonte de enerxía conectada ao amplificador cunha forma de onda de alto ancho de banda e baixo ruído, que se sincroniza coa envolvente instantánea. sinal.

O uso da tecnoloxía de seguimento de envoltorios nos dispositivos de alimentación CMOS RF ten un atractivo considerable. Nujira leva moitos anos desenvolvendo esta tecnoloxía. Mostraron que esta tecnoloxía pode superar as deficiencias causadas por non linealidades nas aplicacións do amplificador de CMOS RF. Os amplificadores de potencia CMOS foron criticados como unha mala opción para a tecnoloxía de modulación PAR alta por mor da súa linealidade inherente, o que lles require retroceder para reducir a distorsión. Cando os amplificadores CMOS funcionan a niveis de potencia de RF máis altos, producirase recorte e distorsión.

Non obstante, Nujira combina a súa tecnoloxía de linealización ISOGAIN patentada na súa tecnoloxía propietaria de seguimento de envolturas para eliminar problemas de linealidade sen usar DPD. Os equipos que utilizan esta tecnoloxía alcanzaron o obxectivo de alta eficiencia e alcanzaron o mesmo rendemento que GaAs noutros aspectos. Un enorme beneficio de toda investigación sobre amplificadores CMOS é que os dispositivos CMOS son omnipresentes en toda a industria electrónica, apoiados por moitas fundicións, polo que son relativamente baratos. Debido a que está baseado en silicio, tamén é posible integrar directamente circuítos de control e polarización no chip do amplificador de potencia.

5. Outros métodos completamente diferentes

Outra tecnoloxía de amplificación foi defendida por Eta Devices, unha empresa derivada do Instituto Tecnolóxico de Massachusetts, e foi cofundada por dous profesores de enxeñaría eléctrica Joel Dawson e David Perreault e un antigo investigador de amplificadores de Ericsson e Huawei. A súa tecnoloxía Asymmetric Multi-Level Outphasing (AMO) foi desenvolvida polo MIT, que foi investido conxuntamente polo cofundador de ADI Ray Stata e a súa empresa de capital risco Stata Venture Partners.

O obxectivo principal da compañía son os mercados emerxentes, incluíndo ata 640,000 centrais de base de xeradores diésel que custan 15 millóns de dólares ao ano en termos de combustible, seguido do mercado dos teléfonos intelixentes. En febreiro deste ano, Eta Devices demostrou o seu equipo Eta5 na sección Advanced LTE do Mobile Communications World Congress en Barcelona, España. A canle de transmisión do equipo supera os 80 MHz.

Eta Devices declarou audazmente que se espera que a súa tecnoloxía ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking) reduza os custos de enerxía das estacións base nun 50%. Tamén afirma que pode duplicar a duración da batería dos teléfonos intelixentes. A premisa é que o transistor de potencia RF do amplificador consume o consumo de enerxía simultaneamente no modo de espera e no modo de transmisión, e o único xeito de mellorar a eficiencia é reducir a potencia de espera ao nivel máis baixo posible.
Cambiar entre o modo de espera de baixo consumo de enerxía e a alta potencia producirá distorsión. Os sistemas existentes precisan manter un alto nivel de potencia en espera para detectar continuamente esta condición, a costa dun alto consumo de enerxía. O enfoque de Eta Devices é seleccionar a tensión que consome o menor consumo de enerxía no transistor tomando mostra ata 20 millóns de veces por segundo.

Outro problema é que a compañía explicou que os requisitos de ancho de banda LTE Advanced e 100 MHz crearán unha enorme demanda de amplificadores de potencia de RF. O seguimento do sobre só non se pode adaptar a esta situación, porque non pode soportar canles de máis de 40 MHz. Segundo a compañía, ETAdvanced admite canles de ata 160 MHz, polo que pode cumprir tanto o LTE-Advanced como o Wi-Fi 802.11ac. As estacións base que utilizan a súa tecnoloxía poden ser moi pequenas e a compañía afirma que desenvolveu o primeiro transmisor LTE cunha eficiencia media superior ao 70%.

6. Resumo

Se describe completamente o traballo actual feito para mellorar a eficiencia de enerxía de RF, pode escribir un libro grande. Estes contidos non se limitan ao alcance comentado neste artigo, senón que tamén inclúen o uso de diferentes tipos de amplificadores e tecnoloxías de soporte. A combinación destas tecnoloxías pode producir resultados significativos. Non importa canto progreso se faga, é certo que mentres exista a demanda de taxas de datos máis altas, a busca dunha maior eficiencia continuará.