Come migliorare l'efficienza dell'amplificatore di potenza RF?

Le leggi fondamentali della termodinamica rivelano che nessuna apparecchiatura elettronica può raggiungere il 100% di efficienza, sebbene gli alimentatori a commutazione siano relativamente vicini (fino al 98%). Sfortunatamente, qualsiasi dispositivo che genera potenza RF non è attualmente in grado di raggiungere o avvicinarsi alle prestazioni ideali, perché ci sono troppi difetti nel processo di conversione della potenza CC in potenza del prodotto RF, inclusa la perdita causata dalla trasmissione dell'intero percorso del segnale, per la frequenza operativa Perdita di tempo e la perdita caratteristica intrinseca del dispositivo. Di conseguenza, un articolo del MIT Technology Review ha commentato senza tante cerimonie l'amplificatore di potenza RF: "È un hardware molto inefficiente".

Non sorprende che ogni aspetto dei produttori di prodotti di potenza RF, dai semiconduttori agli amplificatori ai trasmettitori, così come le università e il Dipartimento della Difesa, spenda ogni anno molto tempo e risorse finanziarie per migliorare l'efficienza dei dispositivi di potenza RF. Ci sono buone ragioni per questo: anche un leggero aumento dell'efficienza può prolungare il tempo di lavoro dei prodotti alimentati a batteria e ridurre il consumo energetico annuale delle stazioni base wireless. La Figura 1 mostra la proporzione della parte RF rispetto al consumo energetico complessivo della stazione base.

Figura 1: Aggiungendo le parti rilevanti di vari prodotti a radiofrequenza nel consumo energetico della stazione base, il risultato finale sarà piuttosto ampio.

Fortunatamente, dopo anni di continui sforzi per migliorare l'efficienza RF, queste condizioni stanno gradualmente cambiando. Alcune di queste attività sono a livello di dispositivo, mentre altre utilizzano alcune tecnologie innovative, come il tracciamento dell'inviluppo, schemi di predistorsione digitale / riduzione del fattore di cresta e l'uso di amplificatori più avanzati dei comuni livelli di classe AB.

Un cambiamento importante nel design degli amplificatori è l'architettura Doherty, che è diventata lo standard per gli amplificatori delle stazioni base entro 5 anni. Da quando il Dr. Doherty dei Bell Laboratories (che poi è entrato a far parte di Westinghouse Electric) ha inventato questa architettura nel 1936, è rimasta silenziosa per la maggior parte del tempo ed è stata utilizzata solo in poche applicazioni.

La ricerca di Doherty ha creato una nuova struttura di amplificatore in grado di fornire un'efficienza di potenza aggiunta estremamente elevata quando il segnale di ingresso ha un rapporto picco-medio (PAR) molto alto. Infatti, se adeguatamente progettati, l'efficienza degli amplificatori Doherty può essere aumentata dall'11% al 14% rispetto agli amplificatori paralleli standard di classe AB.

Naturalmente, per molti anni dopo il 1936, solo pochi tipi di segnali possiedono queste caratteristiche, come AM e FM, che utilizzano schemi di modulazione nei sistemi di comunicazione. Al momento, quasi tutti i sistemi wireless generano segnali PAR elevati, da WCDMA a CDMA2000 a qualsiasi sistema che utilizzi il multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDM), come WiMAX, LTE e, più recentemente, Wi-Fi.

Figura 2: un tipico amplificatore Doherty

Il classico amplificatore Doherty (Figura 2), che può essere classificato come un'architettura di modulazione del carico, è in realtà composto da due amplificatori: un amplificatore portante polarizzato per funzionare in modalità di classe AB e un amplificatore di picco polarizzato in modalità di classe C. Un divisore di potenza divide il segnale in ingresso equamente a ciascun amplificatore con una differenza di fase di 90 °. Dopo l'amplificazione, il segnale viene ri-sintetizzato attraverso l'accoppiatore di potenza. I due amplificatori funzionano contemporaneamente quando il segnale di ingresso è al suo picco e ciascuno si comporta come un'impedenza di carico per massimizzare la potenza di uscita.

Tuttavia, quando la potenza del segnale in ingresso diminuisce, l'amplificatore di picco di classe C viene disattivato e solo l'amplificatore portante di classe AB funziona ancora. A livelli di potenza inferiori, l'amplificatore portante di classe AB si comporta come un'impedenza di carico modulata per migliorare l'efficienza e il guadagno. Con la rinnovata vitalità dell'architettura, il design dell'amplificatore Doherty ha compiuto progressi significativi in rapide iterazioni e ha ottenuto un grande successo.

Ovviamente nessuna architettura è perfetta. La linearità e la potenza di uscita dell'amplificatore Doherty sono leggermente peggiori rispetto all'amplificatore a doppia classe AB. Questo ci porta un altro circuito importante che è diventato una scelta indispensabile nell'ambiente di comunicazione di oggi: la tecnologia di linearizzazione analogica e digitale. La più utilizzata di questa tecnologia è la predistorsione digitale (DPD), a volte combinata con la riduzione del fattore di cresta (CFR). Sia DPD che CFR possono ridurre notevolmente la distorsione di Doherty e un'attenta progettazione di dispositivi e amplificatori può ridurre al minimo la perdita di linearità. Tuttavia, non sono strettamente definiti per l'uso negli amplificatori Doherty e i loro effetti sono abbastanza evidenti se usati in altre strutture di amplificatori.

1. Migliora la linearità

La moderna tecnologia di modulazione digitale richiede che la linearità dell'amplificatore sia sufficientemente alta, altrimenti si verificherà una distorsione di intermodulazione e la qualità del segnale sarà ridotta. Sfortunatamente, quando gli amplificatori funzionano al meglio, sono tutti vicini ai loro livelli di saturazione. Successivamente, diventano non lineari, l'uscita di potenza RF diminuisce all'aumentare della potenza di ingresso e iniziano a comparire distorsioni significative. Questa distorsione può causare diafonia tra canali o servizi adiacenti. Di conseguenza, i progettisti di solito riducono la potenza di uscita RF a una "zona sicura" per garantire la linearità. Quando lo fanno, sono necessari più transistor RF per ottenere una data potenza di uscita RF, il che aumenterà il consumo di corrente e si tradurrà in una durata della batteria più breve o in costi operativi più elevati nelle stazioni base.

DPD introduce efficacemente "anti-distorsione" all'ingresso dell'amplificatore, eliminando la non linearità dell'amplificatore. Di conseguenza, l'amplificatore non ha bisogno di tornare al punto di funzionamento ottimale e quindi non sono più necessari dispositivi di potenza RF. Man mano che gli amplificatori diventano più efficienti, i vantaggi sono i costi di raffreddamento ridotti e tutti i consumi energetici importanti. Quando CFR è in funzione, la distorsione viene continuamente controllata riducendo il rapporto picco-medio del segnale di ingresso. Questo metodo riduce il valore di picco del segnale in modo che il segnale non provochi clipping o distorsione quando passa attraverso l'amplificatore. Quando DPD e CFR vengono utilizzati insieme, è possibile ottenere un guadagno maggiore.
2. Metodo dell'amplificatore di potenza fuori fase

Un'altra tecnologia è una tecnologia brevettata inventata e detenuta da Henri Chireix quasi 80 anni fa. Di solito è chiamato "outphasing" (amplificatore di potenza outphasing, un membro della famiglia della tecnologia di modulazione del carico). Attualmente è utilizzato da Fujitsu, NXP, ecc. Per migliorare l'efficienza dell'amplificatore. Combina due amplificatori di potenza RF non lineari, che sono pilotati da segnali di fasi differenti. Poiché la fase è controllata, quando il segnale di uscita è accoppiato, l'uso di amplificatori di potenza RF di classe B può ottenere guadagni di efficienza. Tecniche di progettazione attente, in particolare selezionando la reattanza appropriata, possono ottimizzare il sistema ad una specifica ampiezza di uscita, che porterà il doppio dell'aumento di efficienza (almeno in teoria).

Fujitsu ha annunciato lo scorso anno di aver adottato il metodo di outphasing in un determinato amplificatore di potenza, integrando un circuito di accoppiamento di potenza compatto, a bassa perdita, e con un circuito di compensazione dell'errore di fase basato su DSP, che è il 65% del tempo di trasmissione comune a amplificatori esistenti. , Il tempo di trasmissione dell'amplificatore può superare il 95%. Per testare il design, l'uscita di picco di questo amplificatore di potenza può raggiungere i 100 watt; l'efficienza elettrica media è aumentata dal 50% al 70%.

Il segnale di ingresso è diviso in due segnali con ampiezza e cambiamenti di fase costanti. L'ampiezza viene impostata in base al dispositivo di potenza RF e il circuito di accoppiamento di potenza ricostruisce la forma d'onda del segnale sorgente. In precedenza, quando il segnale sorgente veniva ricostruito, la perdita di precisione di accoppiamento necessaria per determinare la differenza di fase, che ha impedito la commercializzazione di questa tecnologia. L'accoppiatore utilizzato da Fujitsu ha un percorso del segnale più breve, che riduce la perdita e aumenta la larghezza di banda.

3. Lo sviluppo promettente di NXP

Una variante del meccanismo di Outphasing senza effetto di modulazione del carico è chiamata Linear Amplifier of Nonlinear Concept (LINC), che utilizza un accoppiatore e uno stadio amplificatore separati per raggiungere la saturazione e può migliorare efficacemente la linearità e l'efficienza di picco. Tuttavia, l'efficienza degli amplificatori LINC è relativamente bassa, perché ogni amplificatore funziona a una potenza costante, anche a bassi livelli di uscita RF. Chireix ha corretto questo problema combinando l'outphasing con un accoppiatore non separato e la modulazione del carico per aumentare l'efficienza media. NXP Semiconductors ha apportato un ulteriore miglioramento, utilizzando l'outphasing per controllare due amplificatori RF a commutazione per adattarli a segnali con fattore di cresta elevato. L'azienda sta combinando la tecnologia Chireixoutphasing con amplificatori di classe E di commutazione HEMT GaN (Figura 3).

Figura 3: Schema a blocchi semplificato dell'amplificatore di potenza fuori fase Chireix

La nuova tecnologia driver sviluppata e brevettata da NXP consente all'amplificatore di raggiungere un'elevata efficienza su una larghezza di banda di circa il 25% controllando la relazione di fase. Ciò ha portato a una nuova architettura che combina amplificatori di classe E e modulazione del carico per mantenere l'elevata efficienza degli amplificatori quando escono dalla saturazione, il che consente loro di adattarsi a varie forme d'onda complesse. NXP ha fornito un progetto di riferimento per l'amplificatore di potenza RF di classe E basato su dispositivi GaN e ha allegato informazioni tecniche relative a Chireix.

4. Monitoraggio della busta

Un'altra tecnologia chiave a cui i progettisti di amplificatori prestano attenzione è il tracciamento dell'inviluppo. In questa tecnologia, la tensione applicata all'amplificatore di potenza viene continuamente regolata per garantire che funzioni nella regione di picco per massimizzare la potenza. Rispetto alla tensione fissa fornita dal convertitore CC-CC in un tipico design di amplificatore di potenza, l'alimentatore di tracciamento dell'inviluppo modula l'alimentatore collegato all'amplificatore con una forma d'onda ad alta larghezza di banda e basso rumore, che è sincronizzata con l'inviluppo istantaneo segnale.

L'uso della tecnologia di tracciamento dell'inviluppo nei dispositivi di potenza RF CMOS ha un notevole fascino. Nujira sviluppa questa tecnologia da molti anni. Hanno dimostrato che questa tecnologia può superare le carenze causate dalle non linearità nelle applicazioni degli amplificatori RF CMOS. Gli amplificatori di potenza CMOS sono stati criticati come una cattiva scelta per l'attuale tecnologia ad alta modulazione PAR a causa della loro intrinseca scarsa linearità, che richiede loro di ripiegare per ridurre la distorsione. Quando gli amplificatori CMOS vengono azionati a livelli di potenza RF più elevati, si verificano clipping e distorsione.

Tuttavia, Nujira combina la sua tecnologia di linearizzazione ISOGAIN brevettata nella sua tecnologia proprietaria di tracciamento dell'inviluppo per eliminare i problemi di linearità senza utilizzare DPD. L'apparecchiatura che utilizza questa tecnologia ha raggiunto l'obiettivo di alta efficienza e ha ottenuto le stesse prestazioni del GaAs in altri aspetti. Un enorme vantaggio di tutta la ricerca sugli amplificatori CMOS è che i dispositivi CMOS sono onnipresenti nell'intera industria elettronica, supportati da molte fonderie, quindi sono relativamente economici. Poiché si basa sul silicio, è anche possibile integrare direttamente circuiti di controllo e polarizzazione sul chip dell'amplificatore di potenza.

5. Altri metodi completamente diversi

Un'altra tecnologia di amplificazione è stata sostenuta da Eta Devices, una società scorporata dal Massachusetts Institute of Technology, ed è stata co-fondata da due professori di ingegneria elettrica Joel Dawson e David Perreault e un ex ricercatore di amplificatori di Ericsson e Huawei. La sua tecnologia Asymmetric Multi-Level Outphasing (AMO) è stata sviluppata dal MIT, che è stata investita congiuntamente dal co-fondatore di ADI Ray Stata e dalla sua società di venture capital Stata Venture Partners.

L'obiettivo principale dell'azienda sono i mercati emergenti, tra cui fino a 640,000 stazioni base per generatori diesel che costano 15 miliardi di dollari all'anno in termini di carburante, seguiti dal mercato degli smartphone. Nel febbraio di quest'anno, Eta Devices ha presentato le sue apparecchiature Eta5 alla sezione Advanced LTE del Mobile Communications World Congress di Barcellona, in Spagna. Il canale di trasmissione dell'apparecchiatura supera gli 80 MHz.

Eta Devices ha dichiarato coraggiosamente che la sua tecnologia ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking) dovrebbe ridurre i costi energetici della stazione base del 50%. Afferma inoltre che può raddoppiare la durata della batteria degli smartphone. La premessa è che il transistor di potenza RF dell'amplificatore consuma simultaneamente il consumo di energia in modalità standby e in modalità di trasmissione, e l'unico modo per migliorare l'efficienza è ridurre la potenza in standby al livello più basso possibile.
La commutazione tra la modalità standby a basso consumo energetico e l'uscita ad alta potenza provocherà distorsioni. I sistemi esistenti devono mantenere un livello di alimentazione in standby elevato per rilevare continuamente questa condizione, a scapito di un elevato consumo energetico. L'approccio di Eta Devices consiste nel selezionare la tensione che consuma il minor consumo di energia attraverso il transistor campionando fino a 20 milioni di volte al secondo.

Un altro problema è che la società ha spiegato che i requisiti di larghezza di banda LTE Advanced e 100 MHz creeranno un'enorme domanda di amplificatori di potenza RF. Il monitoraggio dell'inviluppo da solo non può adattarsi a questa situazione, perché non può supportare canali più larghi di 40 Mhz. Secondo la società, ETAdvanced supporta canali fino a 160 MHz, quindi può soddisfare sia LTE-Advanced che Wi-Fi 802.11ac. Le stazioni base che utilizzano la sua tecnologia possono essere molto piccole e l'azienda afferma di aver sviluppato il primo trasmettitore LTE con un'efficienza media superiore al 70%.

6. Riassunto

Se descrivi completamente l'attuale lavoro svolto per migliorare l'efficienza energetica RF, puoi scrivere un libro di grandi dimensioni. Questi contenuti non sono limitati all'ambito discusso in questo articolo, ma includono anche l'uso di diversi tipi di amplificatori e tecnologie di supporto. La combinazione di queste tecnologie può produrre risultati significativi. Non importa quanti progressi siano stati fatti, è certo che finché esiste la richiesta di velocità di trasmissione dati più elevate, la ricerca di una maggiore efficienza continuerà.