Com millorar l'eficiència de l'amplificador de potència de RF?

Les lleis bàsiques de la termodinàmica revelen que cap equip electrònic pot aconseguir un 100% d’eficiència, tot i que les fonts d’alimentació de commutació són relativament properes (fins al 98%). Malauradament, actualment qualsevol dispositiu que generi potència de RF no sigui capaç d’aconseguir el rendiment ideal o d’acostar-se a aquest, perquè hi ha massa defectes en el procés de conversió de potència de CC en potència de producte de RF, inclosa la pèrdua causada per tota la transmissió del recorregut del senyal. la freqüència de funcionament Pèrdua de temps i la pèrdua característica inherent del dispositiu. Com a resultat, un article del MIT Technology Review comentava sense cerimònies sobre l'amplificador de potència de RF: "És un maquinari molt poc eficient".

No sorprèn que tots els aspectes dels fabricants de productes d’energia RF, des de semiconductors fins a amplificadors i transmissors, passant per les universitats i el Departament de Defensa, gastin molt de temps i recursos financers cada any per millorar l’eficiència dels dispositius d’alimentació RF. Hi ha bones raons: fins i tot un lleuger augment de l’eficiència pot allargar el temps de treball dels productes amb bateria i reduir el consum anual d’energia de les estacions base sense fils. La figura 1 mostra la proporció de la part de RF al consum d'energia global de l'estació base.

Figura 1: Afegint les parts rellevants de diversos productes de radiofreqüència en el consum d'energia de l'estació base, el resultat final serà força gran.

Afortunadament, després d’anys d’esforços continus per millorar l’eficiència de RF, aquestes condicions canvien gradualment. Algunes d’aquestes tasques es troben a nivell de dispositiu, mentre que d’altres utilitzen algunes tecnologies innovadores, com el seguiment de l’embolcall, la predistorsió digital / esquemes de reducció del factor de cresta i l’ús d’amplificadors més avançats que els nivells habituals de classe AB

Un canvi important en el disseny dels amplificadors és l’arquitectura Doherty, que s’ha convertit en l’estàndard dels amplificadors d’estacions base en 5 anys. Des que el doctor Doherty de Bell Laboratories (que aleshores va passar a formar part de Westinghouse Electric) va inventar aquesta arquitectura el 1936, ha estat silenciosa la major part del temps i només s’ha utilitzat en algunes aplicacions.

La investigació de Doherty ha creat una nova estructura d'amplificador que pot proporcionar una eficiència de potència afegida extremadament alta quan el senyal d'entrada té una relació de pic-a-mitjana (PAR) molt alta. De fet, si es dissenya adequadament, l’eficiència dels amplificadors Doherty es pot augmentar entre un 11% i un 14% en comparació amb els amplificadors AB de classe paral·lela estàndard.

Per descomptat, durant molts anys després del 1936, només alguns tipus de senyals posseeixen aquestes característiques, com ara AM i FM, que utilitzen esquemes de modulació en sistemes de comunicació. Actualment, gairebé tots els sistemes sense fils generen senyals PAR elevats, des de WCDMA fins a CDMA2000 fins a qualsevol sistema que utilitzi multiplexació de divisió de freqüència ortogonal (OFDM), com ara WiMAX, LTE i, més recentment, Wi-Fi.

Figura 2: Un amplificador típic de Doherty

L’amplificador Doherty clàssic (Figura 2), que es pot classificar com a arquitectura de modulació de càrrega, es compon en realitat de dos amplificadors: un amplificador portador esbiaixat per funcionar en mode classe AB i un amplificador de pic configurat en mode classe C. Un divisor de potència divideix el senyal d'entrada per igual a cada amplificador amb una diferència de fase de 90 °. Després de l'amplificació, el senyal es torna a sintetitzar mitjançant l'acoblador de potència. Els dos amplificadors funcionen al mateix temps quan el senyal d'entrada està al màxim, i cadascun es comporta com una impedància de càrrega per maximitzar la potència de sortida.

No obstant això, a mesura que baixa la potència del senyal d’entrada, l’amplificador de pic C de classe C s’apaga i només funciona l’amplificador portador de la classe AB. A nivells de potència més baixos, l'amplificador portador de la classe AB es comporta com una impedància de càrrega modulada per millorar l'eficiència i el guany. Amb la renovada vitalitat de l’arquitectura, el disseny de l’amplificador Doherty ha avançat significativament en iteracions ràpides i ha aconseguit un gran èxit.

Per descomptat, cap arquitectura és perfecta. La linealitat i la potència de sortida de l'amplificador Doherty són lleugerament pitjors que l'amplificador AB de doble classe. Això ens aporta un altre circuit important que s’ha convertit en una opció indispensable en l’entorn de comunicació actual: la tecnologia de linealització analògica i digital. La tecnologia més utilitzada és la predistorsió digital (DPD), de vegades combinada amb la reducció del factor de cresta (CFR). Tant DPD com CFR poden reduir considerablement la distorsió de Doherty, i el disseny acurat de dispositius i amplificadors pot minimitzar la pèrdua de linealitat. No obstant això, no estan definits estrictament per utilitzar-los en amplificadors Doherty, i els seus efectes són força evidents quan s’utilitzen en altres estructures amplificadores.

1. Millorar la linealitat

La moderna tecnologia de modulació digital requereix que la linealitat de l'amplificador sigui prou elevada, en cas contrari es produirà una distorsió de la intermodulació i es reduirà la qualitat del senyal. Malauradament, quan els amplificadors funcionen al màxim, tots estan a prop dels seus nivells de saturació. Més tard, es tornen no lineals, la potència de sortida de RF baixa a mesura que augmenta la potència d'entrada i comencen a aparèixer distorsions significatives. Aquesta distorsió pot causar interconnexió entre canals o serveis adjacents. Com a resultat, els dissenyadors solen retirar la potència de sortida de RF a una "zona segura" per garantir la linealitat. Quan fan això, són necessaris diversos transistors de RF per aconseguir una potència de sortida de RF determinada, que augmentarà el consum de corrent i resultarà en una durada de la bateria menor o en costos operatius més elevats a les estacions base.

DPD introdueix efectivament "anti-distorsió" a l'entrada de l'amplificador, eliminant la no linealitat de l'amplificador. Com a resultat, l’amplificador no necessita tornar al punt de funcionament òptim i, per tant, no es necessiten més dispositius d’alimentació de RF. A mesura que els amplificadors es tornen més eficients, els avantatges són reduir els costos de refrigeració i el consum d'energia important. Quan el CFR funciona, la distorsió es controla contínuament reduint la relació pico-mitja del senyal d'entrada. Aquest mètode redueix el valor màxim del senyal de manera que el senyal no causi retalls ni distorsions en passar per l'amplificador. Quan DPD i CFR s’utilitzen junts, es pot aconseguir un guany més gran.
2. Mètode d'amplificador de potència fora de fase

Una altra tecnologia és una tecnologia patentada inventada i mantinguda per Henri Chireix fa gairebé 80 anys. Normalment s’anomena “outphasing” (amplificador de potència de superació de fase, membre de la família de tecnologia de modulació de càrrega). Actualment l’utilitzen Fujitsu, NXP, etc. Per millorar l’eficiència de l’amplificador. Combina dos amplificadors de potència de RF no lineals, que són impulsats per senyals de diferents fases. Com que la fase es controla, quan el senyal de sortida està acoblat, l’ús d’amplificadors de potència RF de classe B pot aconseguir guanys d’eficiència. Les tècniques de disseny acurades, especialment seleccionant la reactància adequada, poden optimitzar el sistema a una amplitud de sortida específica, la qual cosa comportarà el doble d’increment de l’eficiència (almenys en teoria).

Fujitsu va anunciar l'any passat que va adoptar el mètode de superació de fase en un determinat amplificador de potència, que integrava un circuit d'acoblament de potència de baixa pèrdua compacte i amb un circuit de compensació de correcció d'errors de fase basat en DSP, que és el 65% del temps de transmissió comú a amplificadors existents. , El temps de transmissió de l'amplificador pot superar el 95%. Per provar el disseny, la potència màxima d’aquest amplificador de potència pot arribar als 100 watts; l'eficiència elèctrica mitjana augmenta del 50% al 70%.

El senyal d'entrada es divideix en dos senyals amb canvis d'amplitud i fase constants. L'amplitud es configura segons el dispositiu de potència de RF i el circuit d'acoblament de potència reconstrueix la forma d'ona del senyal font. Anteriorment, quan es va reconstruir el senyal font, la pèrdua de precisió de l'acoblament era necessària per determinar la diferència de fase, cosa que va impedir la comercialització d'aquesta tecnologia. L'acoblador utilitzat per Fujitsu té un recorregut de senyal més curt, que redueix la pèrdua i augmenta l'ample de banda.

3. El prometedor desenvolupament de NXP

Una variant del mecanisme Outphasing sense efecte de modulació de càrrega s’anomena Amplificador Lineal de Concepte No Lineal (LINC), que utilitza un acoblador i una etapa d’amplificador separats per conduir fins a la saturació i pot millorar eficaçment la linealitat i l’eficiència màxima. No obstant això, l'eficiència dels amplificadors LINC és relativament baixa, perquè cada amplificador funciona a una potència constant, fins i tot a nivells de sortida de RF baixos. Chireix ho va corregir combinant la superació de fase amb un acoblador no separat i la modulació de càrrega per augmentar l'eficiència mitjana. NXP Semiconductors ha realitzat una millora addicional, mitjançant la superació de fase per controlar dos amplificadors de RF de commutació per adaptar-los a senyals amb un alt factor de cresta. L’empresa combina la tecnologia Chireixoutphasing amb amplificadors de commutació GaN HEMT de classe E (Figura 3).

Figura 3: diagrama de blocs de l'amplificador de potència fora de fase simplificat de Chireix

La nova tecnologia de controladors desenvolupada i patentada per NXP permet a l'amplificador aconseguir una alta eficiència en un ample de banda d'aproximadament un 25% controlant la relació de fase. Això ha conduït a una nova arquitectura que combina amplificadors de classe E i modulació de càrrega per mantenir l’alta eficiència dels amplificadors quan surten de la saturació, cosa que els permet adaptar-se a diverses formes d’ona complexes. NXP va proporcionar un disseny de referència per a l'amplificador de potència RF de classe E basat en dispositius GaN, i va adjuntar informació tècnica relacionada amb Chireix.

4. Seguiment de sobres

Una altra tecnologia clau a la qual paren atenció els dissenyadors d’amplificadors és el seguiment de l’embolcall. En aquesta tecnologia, la tensió aplicada a l'amplificador de potència s'ajusta contínuament per garantir que funcioni a la regió de pic per maximitzar la potència. En comparació amb la tensió fixa que proporciona el convertidor DC-DC en un disseny típic d’amplificador de potència, la font d’energia de seguiment de l’embolcall modula la font d’energia connectada a l’amplificador amb una forma d’ona d’amplada de banda alta i baix soroll, que se sincronitza amb l’embolcall instantani senyal.

L’ús de la tecnologia de seguiment d’embolcalls en dispositius d’alimentació RF CMOS té un atractiu considerable. Nujira porta molts anys desenvolupant aquesta tecnologia. Han demostrat que aquesta tecnologia pot superar les deficiències causades per les no linealitats en les aplicacions d'amplificador de RF CMOS. Els amplificadors de potència CMOS han estat criticats com una mala opció per a la tecnologia actual de modulació d’ALT elevada a causa de la seva linealitat inherent, que els exigeix recular per reduir la distorsió. Quan els amplificadors CMOS funcionen a nivells de potència de RF més elevats, es produiran retalls i distorsions.

Tot i això, Nujira combina la seva tecnologia de linealització ISOGAIN patentada amb la seva tecnologia de seguiment d’embolcalls propietària per eliminar problemes de linealitat sense utilitzar DPD. L’equip que utilitza aquesta tecnologia ha assolit l’objectiu d’alta eficiència i ha assolit el mateix rendiment que GaAs en altres aspectes. Un gran avantatge de totes les investigacions sobre amplificadors CMOS és que els dispositius CMOS són omnipresents en tota la indústria electrònica, amb el suport de moltes foneries, de manera que són relativament econòmics. Com que es basa en silici, també és possible integrar directament circuits de control i polarització al xip de l'amplificador de potència.

5. Altres mètodes completament diferents

Una altra tecnologia d'amplificació va ser defensada per Eta Devices, una empresa derivada de l'Institut Tecnològic de Massachusetts, i va ser cofundada per dos professors d'enginyeria elèctrica Joel Dawson i David Perreault i un antic investigador d'amplificadors d'Ericsson i Huawei. La seva tecnologia Asimmetric Multi-Level Outphasing (AMO) va ser desenvolupada pel MIT, que va ser invertit conjuntament pel cofundador d’ADI, Ray Stata, i la seva empresa de capital risc Stata Venture Partners.

L’objectiu principal de la companyia són els mercats emergents, que inclouen fins a 640,000 centrals elèctriques de generadors dièsel que costen 15 milions de dòlars EUA en termes de combustible, seguit del mercat dels telèfons intel·ligents. El febrer d’aquest any, Eta Devices va demostrar el seu equip Eta5 a la secció Advanced LTE del Mobile Communications World Congress a Barcelona, Espanya. El canal de transmissió de l'equip supera els 80 MHz.

Eta Devices va declarar amb valentia que s’espera que la seva tecnologia ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking) permetrà reduir els costos d’energia de les estacions base en un 50%. També afirma que pot duplicar la durada de la bateria dels telèfons intel·ligents. La premissa és que el transistor de potència de RF de l’amplificador consumeix consum d’energia simultàniament en el mode d’espera i en el mode de transmissió, i l’única manera de millorar l’eficiència és reduir la potència d’espera al nivell més baix possible.
Si canvieu entre el mode d’espera de baix consum d’energia i la sortida de potència alta, es produirà distorsió. Els sistemes existents han de mantenir un alt nivell de potència en espera per detectar contínuament aquesta condició, a costa d’un elevat consum d’energia. L'aproximació d'eta Devices consisteix a seleccionar el voltatge que consumeix el consum d'energia més baix a través del transistor mitjançant un mostreig de fins a 20 milions de vegades per segon.

Un altre problema és que la companyia va explicar que els requisits d'ample de banda LTE Advanced i 100 MHz crearan una gran demanda d'amplificadors de potència de RF. El seguiment de sobres per si sol no es pot adaptar a aquesta situació, ja que no admet canals de més de 40 MHz. Segons la companyia, ETAdvanced admet canals de fins a 160 MHz, de manera que pot complir amb Wi-Fi LTE-Advanced i 802.11ac. Les estacions base que utilitzen la seva tecnologia poden ser molt petites i la companyia afirma que ha desenvolupat el primer transmissor LTE amb una eficiència mitjana superior al 70%.

6. Resum

Si descriviu completament el treball realitzat actualment per millorar l’eficiència de l’energia RF, podeu escriure un llibre gran. Aquests continguts no es limiten a l’abast comentat en aquest article, sinó que també inclouen l’ús de diferents tipus d’amplificadors i tecnologies de suport. La combinació d’aquestes tecnologies pot produir resultats significatius. No importa el progrés que es faci, és cert que mentre existeixi la demanda de taxes de dades més altes, es continuarà buscant una major eficiència.