Kako poboljšati učinkovitost RF pojačala?

Osnovni zakoni termodinamike otkrivaju da niti jedna elektronička oprema ne može postići 100% učinkovitost, iako su preklopni izvori napajanja relativno blizu (i do 98%). Nažalost, bilo koji uređaj koji generira RF snagu trenutno nije u stanju postići ili se približiti idealnim performansama, jer ima previše nedostataka u procesu pretvaranja istosmjerne energije u snagu RF proizvoda, uključujući gubitak uzrokovan cjelokupnim prijenosom putanje signala, u radna frekvencija Gubitak vremena i svojstveni karakteristični gubici uređaja. Kao rezultat toga, članak u MIT Technology Review bez ceremonije je komentirao RF pojačalo snage, "To je vrlo neučinkovit hardver."

Nije iznenađujuće što svaki aspekt proizvođača RF proizvoda, od poluvodiča do pojačala do odašiljača, kao i sveučilišta i Ministarstvo obrane, troše puno vremena i financijskih sredstava svake godine kako bi poboljšali učinkovitost RF uređaja. Postoje dobri razlozi za to: čak i blagi porast učinkovitosti može produžiti vrijeme rada proizvoda na baterije i smanjiti godišnju potrošnju energije bežičnih baznih stanica. Slika 1 prikazuje udio RF dijela u ukupnoj potrošnji energije bazne stanice.

Slika 1: Dodavanjem relevantnih dijelova različitih radiofrekvencijskih proizvoda u potrošnju energije bazne stanice, konačni rezultat bit će prilično velik.

Srećom, nakon godina kontinuiranih napora da se poboljša RF učinkovitost, ovi se uvjeti postupno mijenjaju. Neki od tih zadataka nalaze se na razini uređaja, dok se drugi koriste nekim inovativnim tehnologijama, poput praćenja omotnice, shemama smanjenja digitalnih predistorzija / faktora grebena i upotrebom pojačala koja su naprednija od razine AB klase.

Glavni pomak u dizajnu pojačala je Dohertyjeva arhitektura, koja je postala standard za pojačala baznih stanica u roku od 5 godina. Otkako je dr. Doherty iz laboratorija Bell (koji je tada postao dio Westinghouse Electric-a) izumio ovu arhitekturu 1936. godine, ona većinu vremena šuti i koristi se samo u nekoliko aplikacija.

Dohertyjevo istraživanje stvorilo je novu strukturu pojačala koja može pružiti izuzetno visoku učinkovitost dodane snage kada ulazni signal ima vrlo visok omjer vrha i prosjeka (PAR). Zapravo, ako su pravilno dizajnirani, učinkovitost Dohertyevih pojačala može se povećati za 11% do 14% u usporedbi sa standardnim AB pojačalima paralelne klase.

Naravno, dugi niz godina nakon 1936. godine samo nekoliko vrsta signala posjeduje ove karakteristike, poput AM i FM, koji koriste modulacijske sheme u komunikacijskim sustavima. Trenutno gotovo svaki bežični sustav generira visoke PAR signale, od WCDMA do CDMA2000, do bilo kojeg sustava koji koristi ortogonalno multipleksiranje s podjelom frekvencija (OFDM), kao što su WiMAX, LTE i odnedavno Wi-Fi.

Slika 2: Tipično Dohertyjevo pojačalo

Klasično Dohertyjevo pojačalo (slika 2), koje se može klasificirati kao arhitekturu modulacije opterećenja, zapravo se sastoji od dva pojačala: nosačko pojačalo pristrano za rad u načinu klase AB i vršno pojačalo pristrano prema načinu C. Razdjelnik snage dijeli ulazni signal podjednako na svako pojačalo s faznom razlikom od 90 °. Nakon pojačanja, signal se ponovno sintetizira kroz spojnicu snage. Dva pojačala rade istodobno kad je ulazni signal na vrhuncu i svako se ponaša kao impedansa opterećenja kako bi maksimizirala izlaznu snagu.

Međutim, kako snaga ulaznog signala opada, vršno pojačalo klase C se isključuje, a samo nosačko pojačalo klase AB i dalje radi. Na nižim razinama snage, pojačalo klase AB nosi se kao modulirana impedancija opterećenja za poboljšanje učinkovitosti i pojačanja. Obnovljenom vitalnošću arhitekture, dizajn pojačala Doherty postigao je značajan napredak u brzim iteracijama i postigao velik uspjeh.

Naravno, nijedna arhitektura nije savršena. Linearnost i izlazna snaga Dohertyjeva pojačala nešto su lošiji od dvostrukog AB pojačala. To nam donosi još jedan važan sklop koji je postao neophodan izbor u današnjem komunikacijskom okruženju: analogna i digitalna tehnologija linearizacije. Najčešće korištena ova tehnologija je digitalno prediskretanje (DPD), ponekad kombinirano sa smanjenjem faktora brijega (CFR). I DPD i CFR mogu uvelike smanjiti Dohertyjeva izobličenja, a pažljiv dizajn uređaja i pojačala može minimizirati gubitak linearnosti. Međutim, oni nisu strogo definirani za upotrebu u Dohertyevim pojačalima, a njihovi su učinci prilično očiti kad se koriste u drugim strukturama pojačala.

1. Poboljšati linearnost

Suvremena tehnologija digitalne modulacije zahtijeva da linearnost pojačala bude dovoljno visoka, inače će doći do intermodulacijskog izobličenja i smanjiti kvalitetu signala. Nažalost, kada pojačala rade u najboljem izdanju, svi su blizu svojih razina zasićenja. Kasnije postaju nelinearni, izlazna snaga RF opada s povećanjem ulazne snage i počinju se pojavljivati značajna izobličenja. Ovo izobličenje može prouzročiti preslušavanje između susjednih kanala ili usluga. Kao rezultat toga, dizajneri obično povlače RF izlaznu snagu u "sigurnu zonu" kako bi osigurali linearnost. Kada to učine, potrebno je više RF tranzistora da bi se postigla zadana izlazna snaga RF, što će povećati trenutnu potrošnju i rezultirati kraćim vijekom trajanja baterije ili većim operativnim troškovima u baznim stanicama.

DPD učinkovito uvodi "anti-distorziju" na ulazu pojačala, uklanjajući nelinearnost pojačala. Kao rezultat, pojačalo se ne mora vratiti na optimalnu radnu točku, pa stoga više nisu potrebni RF uređaji za napajanje. Kako pojačala postaju učinkovitija, prednosti su smanjeni troškovi hlađenja i sva važna potrošnja energije. Kada CFR radi, izobličenje se kontinuirano provjerava smanjenjem omjera vršnog i prosječnog broja ulaznog signala. Ova metoda smanjuje vršnu vrijednost signala tako da signal ne uzrokuje odsijecanje ili izobličenje prilikom prolaska kroz pojačalo. Kada se DPD i CFR koriste zajedno, može se postići veći dobitak.
2. Metoda pojačanja snage izvan faze

Druga tehnologija je patentirana tehnologija koju je izumio i držao Henri Chireix prije gotovo 80 godina. Obično se naziva "nadmudrivanje" (pojačalo pojačavanja snage, član obitelji tehnologije modulacije opterećenja). Trenutno ga koriste Fujitsu, NXP itd. Za poboljšanje učinkovitosti pojačala. Kombinira dva nelinearna pojačala snage RF koja se pokreću signalima različitih faza. Budući da je faza kontrolirana, kada je izlazni signal povezan, upotreba pojačala snage RF klase B može postići povećanje učinkovitosti. Pažljivim tehnikama dizajna, posebno odabirom odgovarajuće reaktancije, sustav se može optimizirati do određene izlazne amplitude, što će donijeti dvostruko povećanje učinkovitosti (barem u teoriji).

Fujitsu je prošle godine najavio da je usvojio metodu nadglasavanja u određenom pojačalu snage, integrirajući kompaktni sklop za spajanje snage s malim gubicima i s krugom kompenzacije fazne pogreške temeljenim na DSP-u, što je 65% vremena prijenosa zajedničkog postojeća pojačala. , Vrijeme prijenosa pojačala može premašiti 95%. Za testiranje dizajna, vršna snaga ovog pojačala može doseći 100 vata; prosječna električna učinkovitost povećana je s 50% na 70%.

Ulazni signal podijeljen je u dva signala s konstantnom promjenom amplitude i faze. Amplituda se podešava prema RF uređaju, a krug za spajanje snage rekonstruira valni oblik izvora signala. Prije toga, kada je rekonstruiran izvorni signal, gubitak točnosti spajanja potreban je za određivanje fazne razlike, što je spriječilo komercijalizaciju ove tehnologije. Spojnica koju koristi Fujitsu ima kraći put signala, što smanjuje gubitak i povećava širinu pojasa.

3. NXP-ov obećavajući razvoj

Inačica Outphasing mehanizma bez efekta modulacije opterećenja naziva se Linearno pojačalo nelinearnog koncepta (LINC), koje koristi zasebnu spojnicu i pojačalo za pogon do zasićenja, a može učinkovito poboljšati linearnost i maksimalnu učinkovitost. Međutim, učinkovitost LINC pojačala je relativno niska, jer svako pojačalo radi s konstantnom snagom, čak i na niskim razinama RF izlaza. Chireix je to ispravio kombinirajući odvojeno odvajanje odvojenom spojnicom i modulacijom opterećenja kako bi povećao prosječnu učinkovitost. NXP Semiconductors postigao je daljnje poboljšanje, koristeći nadglasavanje za upravljanje dva RF pojačala s preklopnim načinom rada kako bi ih prilagodio signalima visokog faktora grebena. Tvrtka kombinira Chireixoutphasing tehnologiju s GaN HEMT komutacijskim pojačalima klase E (slika 3).

Slika 3: Pojednostavljeni blok-dijagram izvanfaznog pojačala snage Chireix

Nova tehnologija pogona koju je razvio i patentirao NXP omogućuje pojačalu da postigne visoku učinkovitost u širini pojasa od približno 25% kontrolirajući fazni odnos. To je dovelo do nove arhitekture koja kombinira pojačala E klase i modulaciju opterećenja kako bi održala visoku učinkovitost pojačala pri izlasku iz zasićenja, što im omogućuje prilagodbu različitim složenim valnim oblicima. NXP je pružio referentni dizajn za pojačalo snage E klase RF temeljeno na GaN uređajima i priložio tehničke informacije povezane s Chireixom.

4. Praćenje omotnica

Još jedna ključna tehnologija na koju dizajneri pojačala obraćaju pozornost je praćenje omotnica. U ovoj se tehnologiji napon primijenjen na pojačalo snage kontinuirano prilagođava kako bi se osiguralo da radi u vršnom području kako bi maksimizirao snagu. U usporedbi s fiksnim naponom koji daje pretvarač istosmjerne i istosmjerne struje u tipičnom dizajnu pojačala snage, napajanje za praćenje omotnica modulira napajanje povezano na pojačalo s valnim oblikom široke širine pojasa i malim šumom, koji se sinkronizira s trenutnim omotačem signal.

Korištenje tehnologije praćenja omotnica u CMOS RF uređajima ima veliku privlačnost. Nujira ovu tehnologiju razvija već dugi niz godina. Pokazali su da ova tehnologija može prevladati nedostatke uzrokovane nelinearnošću u primjenama CMOS RF pojačala. CMOS pojačala snage kritizirana su kao loš izbor za trenutnu visoku PAR modulacijsku tehnologiju zbog njihove inherentne loše linearnosti, koja zahtijeva da se povuku kako bi smanjili izobličenja. Kada CMOS pojačala rade na višim razinama RF snage, doći će do isjecanja i izobličenja.

Međutim, Nujira kombinira svoju patentiranu ISOGAIN tehnologiju linearizacije u svojoj vlasničkoj tehnologiji praćenja omotnica kako bi eliminirala probleme linearnosti bez upotrebe DPD-a. Oprema koja koristi ovu tehnologiju postigla je cilj visoke učinkovitosti i postigla je iste performanse kao GaAs u drugim aspektima. Ogromna je korist svih istraživanja CMOS pojačala u tome što su CMOS uređaji sveprisutni u cijeloj elektroničkoj industriji, podržani u mnogim ljevaonicama, pa su relativno jeftini. Budući da se temelji na siliciju, također je moguće izravno integrirati upravljačke i pristranske krugove na čipu pojačala snage.

5. Ostale potpuno različite metode

Još jednu tehnologiju pojačala zagovarala je Eta Devices, tvrtka koja se izdvojila iz Massachusetts Institute of Technology, a suosnivači su je bili dva profesora elektrotehnike Joel Dawson i David Perreault te bivši istraživač pojačala iz Ericssona i Huaweija. Njegovu tehnologiju asimetričnog višerazinskog nadmašivanja (AMO) razvio je MIT, što su zajednički uložili suosnivač ADI-ja Ray Stata i njegova tvrtka rizičnog kapitala Stata Venture Partners.

Primarni cilj tvrtke su tržišta u razvoju, uključujući čak 640,000 15 baznih elektrana s dizel generatorom koje godišnje koštaju 5 milijardi američkih dolara u pogledu goriva, a slijedi tržište pametnih telefona. U veljači ove godine, Eta Devices demonstrirao je svoju Eta80 opremu na naprednom LTE dijelu Svjetskog kongresa za mobilne komunikacije u Barceloni u Španjolskoj. Prijenosni kanal opreme prelazi XNUMX MHz.

Eta Devices hrabro je izjavila da se očekuje da će njegova tehnologija ETAdvanced (napredno praćenje omotnica) smanjiti troškove energije bazne stanice za 50%. Također tvrdi da može udvostručiti vijek trajanja baterije pametnih telefona. Pretpostavka je da RF tranzistor snage pojačala troši istodobno potrošnju energije u stanju pripravnosti i načinu odašiljanja, a jedini način za poboljšanje učinkovitosti je smanjivanje snage u stanju pripravnosti na najnižu moguću razinu.
Prebacivanje između stanja mirovanja s niskom potrošnjom energije i velike izlazne snage uzrokovat će izobličenja. Postojeći sustavi moraju održavati visoku razinu snage u stanju čekanja kako bi se neprestano otkrivalo ovo stanje, po cijenu velike potrošnje energije. Pristup Eta uređaja je odabir napona koji troši najmanju potrošnju energije na tranzistoru uzorkovanjem do 20 milijuna puta u sekundi.

Drugi je problem taj što je tvrtka objasnila da će LTE Advanced i propusni opseg od 100 MHz stvoriti ogromnu potražnju za RF pojačalima snage. Samo praćenje omotnica ne može se prilagoditi ovoj situaciji jer ne može podržavati kanale šire od 40 MHz. Prema tvrtki, ETAdvanced podržava kanale do 160 MHz, tako da može zadovoljiti i LTE-Advanced i 802.11ac Wi-Fi. Bazne stanice koje koriste njegovu tehnologiju mogu biti vrlo male, a tvrtka tvrdi da je razvila prvi LTE odašiljač s prosječnom učinkovitošću većom od 70%.

6. Sažetak

Ako u potpunosti opišete trenutni rad na poboljšanju učinkovitosti RF snage, možete napisati veliku knjigu. Ovi sadržaji nisu ograničeni na opseg o kojem se raspravlja u ovom članku, ali uključuju i upotrebu različitih vrsta pojačala i pratećih tehnologija. Kombinacija ovih tehnologija može dati značajne rezultate. Bez obzira na napredak, sigurno je da će potražnja za većom učinkovitošću trajati sve dok postoji potražnja za višim brzinama prijenosa podataka.