Kā uzlabot RF jaudas pastiprinātāja efektivitāti?

Termodinamikas pamatlikumi atklāj, ka neviena elektroniska iekārta nevar sasniegt 100% efektivitāti, lai gan komutācijas barošanas avoti ir samērā tuvu (līdz 98%). Diemžēl jebkura ierīce, kas ģenerē RF enerģiju, pašlaik nespēj sasniegt ideālo veiktspēju vai ir tuvu tai, jo līdzstrāvas enerģijas pārveidošanas par RF produkta enerģiju procesā ir pārāk daudz defektu, ieskaitot zaudējumus, ko rada visa signāla ceļa pārraide, līdz darbības frekvence Laika zudums un ierīces raksturīgais zudums. Tā rezultātā MIT Technology Review rakstā bez ceremonijas tika komentēts RF jaudas pastiprinātājs: "Tā ir ļoti neefektīva aparatūra."

Nav pārsteidzoši, ka visi RF enerģijas produktu ražotāju aspekti, sākot no pusvadītājiem līdz pastiprinātājiem līdz raidītājiem, kā arī universitātes un Aizsardzības departaments, katru gadu tērē daudz laika un finanšu resursu, lai uzlabotu RF barošanas ierīču efektivitāti. Tam ir pamatoti iemesli: pat neliels efektivitātes pieaugums var pagarināt ar akumulatoriem darbināmu izstrādājumu darba laiku un samazināt bezvadu bāzes staciju gada enerģijas patēriņu. 1. attēlā parādīta RF daļas proporcija pret kopējo bāzes stacijas enerģijas patēriņu.

1. attēls: Pievienojot dažādu radiofrekvenču produktu attiecīgās daļas bāzes stacijas enerģijas patēriņam, gala rezultāts būs diezgan liels.

Par laimi, pēc gadiem ilgiem centieniem uzlabot RF efektivitāti, šie apstākļi pamazām mainās. Daži no šiem uzdevumiem ir ierīču līmenī, bet citi izmanto dažas novatoriskas tehnoloģijas, piemēram, aploksnes izsekošanu, digitālās priekšsagrozīšanas / garozas faktoru samazināšanas shēmas un pastiprinātāju izmantošanu, kas ir augstāki par parastajiem AB klases līmeņiem.

Būtiskas izmaiņas pastiprinātāju projektēšanā ir Doherty arhitektūra, kas 5 gadu laikā ir kļuvusi par bāzes staciju pastiprinātāju standartu. Kopš Dr Doherty no Bell Laboratories (kas pēc tam kļuva par daļu no Westinghouse Electric) 1936. gadā izgudroja šo arhitektūru, tā lielāko daļu laika ir klusējusi un izmantota tikai dažās lietojumprogrammās.

Dohertija pētījums ir radījis jaunu pastiprinātāja struktūru, kas var nodrošināt ārkārtīgi lielu pievienotās jaudas efektivitāti, ja ieejas signālam ir ļoti augsta pīķa un vidējā attiecība (PAR). Faktiski, ja tas ir pareizi projektēts, Doherty pastiprinātāju efektivitāti var palielināt par 11% līdz 14%, salīdzinot ar standarta paralēlās klases AB pastiprinātājiem.

Protams, daudzus gadus pēc 1936. gada šīs īpašības piemīt tikai dažiem signālu veidiem, piemēram, AM un FM, kas sakaru sistēmās izmanto modulācijas shēmas. Pašlaik gandrīz katra bezvadu sistēma ģenerē augstus PAR signālus, sākot no WCDMA līdz CDMA2000 un beidzot ar jebkuru sistēmu, kas izmanto ortogonālu frekvenču dalīšanas multipleksēšanu (OFDM), piemēram, WiMAX, LTE un pavisam nesen Wi-Fi.

2. attēls: tipisks Doherty pastiprinātājs

Klasisko Doherty pastiprinātāju (2. attēls), kuru var klasificēt kā slodzes modulācijas arhitektūru, faktiski veido divi pastiprinātāji: nesējpastiprinātājs, kas slīpēts darbībai AB klases režīmā, un pīķa pastiprinātājs, kas ir novirzīts uz C klases režīmu. Jaudas dalītājs ieejas signālu vienādi sadala katram pastiprinātājam ar 90 ° fāzes starpību. Pēc pastiprināšanas signāls tiek atkārtoti sintezēts caur strāvas savienotāju. Abi pastiprinātāji darbojas vienlaicīgi, kad ieejas signāls ir maksimumā, un katrs darbojas kā slodzes pretestība, lai maksimizētu izejas jaudu.

Tomēr, samazinoties ieejas signāla jaudai, C klases pīķa pastiprinātājs tiek izslēgts, un joprojām darbojas tikai AB klases nesējs. Pie zemākiem jaudas līmeņiem AB klases nesēja pastiprinātājs darbojas kā modulēta slodzes pretestība, lai uzlabotu efektivitāti un pieaugumu. Ar atjaunoto arhitektūras vitalitāti Doherty pastiprinātāja dizains ir guvis ievērojamus panākumus straujās atkārtojumos un guvis lielus panākumus.

Protams, neviena arhitektūra nav ideāla. Doherty pastiprinātāja linearitāte un izejas jauda ir nedaudz sliktāka nekā divklases AB pastiprinātājs. Tas mums paver vēl vienu svarīgu shēmu, kas ir kļuvusi par neaizstājamu izvēli mūsdienu komunikācijas vidē: analogās un digitālās linearizācijas tehnoloģijas. Visplašāk izmantotā šī tehnoloģija ir digitālā iepriekšēja deformācija (DPD), dažreiz apvienota ar cekula faktora samazināšanu (CFR). Gan DPD, gan CFR var ievērojami samazināt Dohertija kropļojumus, un rūpīga ierīces un pastiprinātāja konstrukcija var samazināt linearitātes zudumu. Tomēr tie nav stingri noteikti lietošanai Doherty pastiprinātājos, un to ietekme ir diezgan acīmredzama, ja tos izmanto citās pastiprinātāju struktūrās.

1. Uzlabojiet linearitāti

Mūsdienu digitālās modulācijas tehnoloģija prasa, lai pastiprinātāja linearitāte būtu pietiekami augsta, pretējā gadījumā notiks intermodulācijas deformācija un signāla kvalitāte tiks pasliktināta. Diemžēl, kad pastiprinātāji darbojas pēc iespējas labāk, tie visi ir tuvu piesātinājuma līmenim. Vēlāk tie kļūst nelineāri, RF jaudas izeja samazinās, palielinoties ieejas jaudai, un sāk parādīties ievērojami deformācijas. Šis izkropļojums var izraisīt šķērsruna starp blakus esošajiem kanāliem vai pakalpojumiem. Tā rezultātā, lai nodrošinātu linearitāti, dizaineri parasti izstaro RF izejas jaudu "drošajā zonā". Kad viņi to dara, ir nepieciešami vairāki RF tranzistori, lai sasniegtu noteiktu RF izejas jaudu, kas palielinās strāvas patēriņu un izraisīs īsāku akumulatora darbības laiku vai augstākas ekspluatācijas izmaksas bāzes stacijās.

DPD pastiprinātāja ieejā efektīvi ievieš "pretkropļojumus", novēršot pastiprinātāja nelineāritāti. Tā rezultātā pastiprinātājam nav jāatgriežas līdz optimālajam darba punktam, un tāpēc vairs nav nepieciešamas RF barošanas ierīces. Kad pastiprinātāji kļūst efektīvāki, ieguvumi ir samazinātas dzesēšanas izmaksas un viss svarīgais enerģijas patēriņš. Kad CFR darbojas, deformāciju nepārtraukti pārbauda, samazinot ieejas signāla pīķa un vidējā attiecību. Šī metode samazina signāla maksimālo vērtību, lai, ejot caur pastiprinātāju, signāls neizraisa cirpšanu vai izkropļojumus. Ja DPD un CFR lieto kopā, var sasniegt lielāku ieguvumu.
2. Ārfāzes jaudas pastiprinātāja metode

Cita tehnoloģija ir patentēta tehnoloģija, kuru izgudroja un glabāja Henri Chireix gandrīz pirms 80 gadiem. To parasti sauc par “izcelšanu” (uzsverot jaudas pastiprinātāju, kas ir slodzes modulācijas tehnoloģiju saime). Pašlaik to izmanto Fujitsu, NXP utt. Lai uzlabotu pastiprinātāja efektivitāti. Tas apvieno divus nelineārus RF jaudas pastiprinātājus, kurus virza dažādu fāžu signāli. Tā kā fāze tiek kontrolēta, kad izejas signāls ir savienots, B klases RF jaudas pastiprinātāju izmantošana var sasniegt efektivitātes pieaugumu. Rūpīgas projektēšanas metodes, īpaši izvēloties atbilstošo reaktivitāti, var optimizēt sistēmu līdz noteiktai izejas amplitūdai, kas palielinās divas reizes lielāku efektivitāti (vismaz teorētiski).

Fujitsu pagājušajā gadā paziņoja, ka ir pieņēmis izcelšanas metodi noteiktā jaudas pastiprinātājā, integrējot kompaktu, maza zuduma jaudas savienojuma ķēdi un ar DSP balstītu fāžu kļūdu korekcijas kompensācijas ķēdi, kas ir 65% no kopējās pārraides laika esošie pastiprinātāji. Pastiprinātāja pārraides laiks var pārsniegt 95%. Lai pārbaudītu konstrukciju, šī jaudas pastiprinātāja maksimālā jauda var sasniegt 100 vatus; vidējā elektriskā efektivitāte tiek palielināta no 50% līdz 70%.

Ieejas signāls ir sadalīts divos signālos ar nemainīgu amplitūdu un fāzes izmaiņām. Amplitūda tiek iestatīta atbilstoši RF barošanas ierīcei, un strāvas savienojuma shēma rekonstruē avota signāla viļņu formu. Iepriekš, kad tika rekonstruēts avota signāls, sakabes precizitātes zudums, kas nepieciešams fāžu starpības noteikšanai, kas kavēja šīs tehnoloģijas komercializāciju. Fujitsu izmantotajam savienotājam ir īsāks signāla ceļš, kas samazina zaudējumus un palielina joslas platumu.

3. NXP daudzsološā attīstība

Outphasing mehānisma variantu bez slodzes modulācijas efekta sauc par nelineārās koncepcijas lineāro pastiprinātāju (LINC), kas piesātināšanai izmanto atsevišķu savienotāju un pastiprinātāju posmu, un tas var efektīvi uzlabot linearitāti un maksimālo efektivitāti. Tomēr LINC pastiprinātāju efektivitāte ir salīdzinoši zema, jo katrs pastiprinātājs darbojas ar nemainīgu jaudu, pat zemā RF izejas līmenī. Chireix to izlaboja, apvienojot izcelšanu ar neatdalītu savienotāju un slodzes modulāciju, lai palielinātu vidējo efektivitāti. NXP Semiconductors ir veicis turpmāku uzlabojumu, izmantojot uzsvaru, lai kontrolētu divus komutācijas režīma RF pastiprinātājus, lai tos pielāgotu augsta līmeņa faktora signāliem. Uzņēmums apvieno Chireixoutphasing tehnoloģiju ar GaN HEMT komutācijas E klases pastiprinātājiem (3. attēls).

3. attēls: Vienkāršota Chireix ārpusfāzes jaudas pastiprinātāja blokshēma

Jaunā NXP izstrādātā un patentētā draiveru tehnoloģija ļauj pastiprinātājam sasniegt augstu efektivitāti aptuveni 25% joslas platumā, kontrolējot fāžu attiecības. Tas ir radījis jaunu arhitektūru, kas apvieno E klases pastiprinātājus un slodzes modulāciju, lai saglabātu pastiprinātāju augsto efektivitāti, kad tie iziet no piesātinājuma, kas ļauj tiem pielāgoties dažādām sarežģītām viļņu formām. NXP sniedza E-klases RF jaudas pastiprinātāja atsauces dizainu, pamatojoties uz GaN ierīcēm, un pievienoja ar Chireix saistīto tehnisko informāciju.

4. Aploksnes izsekošana

Vēl viena galvenā tehnoloģija, kurai pastiprinātāju dizaineri pievērš uzmanību, ir aploksnes izsekošana. Izmantojot šo tehnoloģiju, jaudas pastiprinātājam pieliktais spriegums tiek pastāvīgi noregulēts, lai nodrošinātu, ka tas darbojas pīķa reģionā, lai maksimāli palielinātu jaudu. Salīdzinājumā ar fiksēto spriegumu, ko nodrošina līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotājs tipiskā jaudas pastiprinātāja konstrukcijā, aploksnes izsekošanas barošanas avots modulē pastiprinātājam pievienoto barošanas avotu ar liela joslas platuma un zema trokšņa viļņu formu, kas tiek sinhronizēta ar momentāno aploksni. signāls.

Aploksnes izsekošanas tehnoloģijas izmantošana CMOS RF barošanas ierīcēs ir ļoti pievilcīga. Nujira šo tehnoloģiju ir izstrādājusi daudzus gadus. Viņi ir parādījuši, ka šī tehnoloģija var pārvarēt nepilnības, ko rada nelinearitātes CMOS RF pastiprinātāju lietojumprogrammās. CMOS jaudas pastiprinātāji ir kritizēti kā slikta izvēle pašreizējai augstas PAR modulācijas tehnoloģijai to raksturīgās sliktās linearitātes dēļ, kas viņiem prasa atkāpšanos, lai samazinātu traucējumus. Ja CMOS pastiprinātājus darbina ar augstāku RF jaudas līmeni, rodas izgriezumi un deformācijas.

Tomēr Nujira apvieno patentēto ISOGAIN linearizācijas tehnoloģiju savā patentētajā aplokšņu izsekošanas tehnoloģijā, lai novērstu linearitātes problēmas, neizmantojot DPD. Iekārtas, kurās tiek izmantota šī tehnoloģija, ir sasniegušas augstas efektivitātes mērķi un citos aspektos ir sasniegušas tādu pašu veiktspēju kā GaAs. Milzīgs visu CMOS pastiprinātāju pētījumu ieguvums ir tas, ka CMOS ierīces ir visuresošas visā elektronikas nozarē, kuras atbalsta daudzas lietuves, tāpēc tās ir salīdzinoši lētas. Tā kā tā pamatā ir silīcijs, jaudas pastiprinātāja mikroshēmā ir iespējams arī tieši integrēt vadības un novirzes shēmas.

5. Citas pilnīgi atšķirīgas metodes

Vēl vienu pastiprinātāju tehnoloģiju aizstāvēja Eta Devices, uzņēmums, kurš atdalījās no Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta, un to līdzdibināja divi elektrotehnikas profesori Džoels Dosons un Deivids Perreaults, kā arī bijušais Ericsson un Huawei pastiprinātāju pētnieks. Tās asimetriskās daudzlīmeņu izcelšanas (AMO) tehnoloģiju izstrādāja MIT, kuru kopīgi ieguldīja ADI līdzdibinātājs Rejs Stata un viņa riska kapitāla firma Stata Venture Partners.

Uzņēmuma galvenais mērķis ir jaunie tirgi, tostarp 640,000 15 dīzeļģeneratoru spēkstaciju, kuru degvielas cena gadā ir USD 5 miljardi, kam seko viedtālruņu tirgus. Šā gada februārī Eta Devices demonstrēja savu Eta80 aprīkojumu pasaules mobilo sakaru kongresa sadaļā Advanced LTE Barselonā, Spānijā. Iekārtas pārraides kanāls pārsniedz XNUMX MHz.

Eta Devices drosmīgi paziņoja, ka paredzams, ka tā tehnoloģija ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking) samazinās bāzes stacijas enerģijas izmaksas par 50%. Tas arī apgalvo, ka tas var dubultot viedtālruņu akumulatora darbības laiku. Pieņēmums ir tāds, ka pastiprinātāja RF jaudas tranzistors vienlaikus patērē enerģijas patēriņu gaidīšanas režīmā un pārraides režīmā, un vienīgais veids, kā uzlabot efektivitāti, ir samazināt gaidīšanas režīmā esošo enerģiju līdz zemākajam iespējamajam līmenim.
Pārslēgšanās starp zema enerģijas patēriņa gaidīšanas režīmu un lielu jaudas izvadi radīs traucējumus. Esošajām sistēmām ir jāuztur augsts gaidīšanas režīma jaudas līmenis, lai nepārtraukti noteiktu šo stāvokli, par lielu enerģijas patēriņu. Eta Devices pieeja ir izvēlēties spriegumu, kas patērē vismazāko strāvas patēriņu visā tranzistorā, ņemot paraugus līdz 20 miljoniem reižu sekundē.

Vēl viena problēma ir tā, ka uzņēmums paskaidroja, ka LTE Advanced un 100 MHz joslas platuma prasības radīs milzīgu pieprasījumu pēc RF jaudas pastiprinātājiem. Tikai aploksnes izsekošana nevar pielāgoties šai situācijai, jo tā nevar atbalstīt kanālus, kuru platums ir lielāks par 40 MHz. Pēc uzņēmuma domām, ETAdvanced atbalsta kanālus līdz 160 MHz, tāpēc tas var apmierināt gan LTE-Advanced, gan 802.11ac Wi-Fi. Bāzes stacijas, kurās tiek izmantota tā tehnoloģija, var būt ļoti mazas, un uzņēmums apgalvo, ka ir izstrādājis pirmo LTE raidītāju, kura vidējā efektivitāte pārsniedz 70%.

6. kopsavilkums

Ja jūs pilnībā aprakstāt pašreizējo darbu, kas uzlabots, lai uzlabotu RF enerģijas efektivitāti, varat uzrakstīt lielu grāmatu. Šis saturs neaprobežojas ar šajā rakstā aplūkoto darbības jomu, bet ietver arī dažāda veida pastiprinātāju un atbalsta tehnoloģiju izmantošanu. Šo tehnoloģiju kombinācija var dot nozīmīgus rezultātus. Neatkarīgi no tā, cik liels progress ir panākts, ir skaidrs, ka, kamēr joprojām pastāv pieprasījums pēc lielākiem datu pārraides ātrumiem, tiks turpināta augstākas efektivitātes meklēšana.