Як підвищити ефективність РЧ підсилювача потужності?

Основні закони термодинаміки показують, що жодне електронне обладнання не може досягти 100% ефективності, хоча імпульсні джерела живлення є відносно близькими (до 98%). На жаль, будь-який пристрій, який генерує радіочастотну потужність, в даний час не може досягти або наблизитися до ідеальної продуктивності, оскільки в процесі перетворення потужності постійного струму в потужність радіочастотного продукту надто багато дефектів, включаючи втрати, спричинені всією передачею сигналу, до робоча частота Втрата часу та властиві характеристиці втрати пристрою. Як результат, стаття в MIT Technology Review безцеремонно прокоментувала РЧ-підсилювач потужності: "Це дуже неефективне обладнання".

Не дивно, що всі аспекти виробників радіочастотних джерел енергії, від напівпровідників до підсилювачів до передавачів, а також університети та Міністерство оборони щороку витрачають багато часу та фінансових ресурсів на підвищення ефективності роботи радіочастотних пристроїв. Для цього є вагомі причини: навіть незначне підвищення ефективності може продовжити час роботи продуктів, що працюють від акумуляторів, і зменшити щорічне споживання енергії бездротовими базовими станціями. На рисунку 1 показано частку ВЧ частини до загального споживання енергії базової станції.

Рисунок 1: Якщо додати відповідні частини різних радіочастотних продуктів до енергоспоживання базової станції, кінцевий результат буде досить великим.

На щастя, після багатьох років безперервних зусиль щодо підвищення ефективності радіочастот ці умови поступово змінюються. Деякі з цих завдань виконуються на рівні пристрою, тоді як інші використовують деякі інноваційні технології, такі як відстеження огинаючої, цифрові схеми зменшення коефіцієнта попередження спотворення / коефіцієнта гребеня та використання підсилювачів, які є більш досконалими, ніж звичайні рівні АВ класу.

Основним зрушенням у конструкції підсилювача є архітектура Доерті, яка стала стандартом для підсилювачів базових станцій протягом 5 років. Оскільки доктор Доерті з лабораторій Bell (який потім став частиною Westinghouse Electric) винайшов цю архітектуру в 1936 році, вона більшу частину часу мовчала і використовувалася лише в декількох додатках.

Дослідження Доерті створило нову структуру підсилювача, яка може забезпечити надзвичайно високу ефективність доданої потужності, коли вхідний сигнал має дуже високе відношення піку до середнього (PAR). Насправді, при правильній розробці ефективність підсилювачів Доерті може бути збільшена на 11% - 14% порівняно зі стандартними підсилювачами паралельного класу AB.

Звичайно, протягом багатьох років після 1936 року лише деякі типи сигналів мають ці характеристики, такі як AM і FM, які використовують схеми модуляції в системах зв'язку. В даний час майже кожна бездротова система генерує сигнали високого рівня PAR - від WCDMA до CDMA2000 до будь-якої системи, яка використовує ортогональне мультиплексування з розподілом частоти (OFDM), наприклад WiMAX, LTE, а нещодавно і Wi-Fi.

Рисунок 2: Типовий підсилювач Доерті

Класичний підсилювач Доерті (рисунок 2), який можна класифікувати як архітектуру модуляції навантаження, насправді складається з двох підсилювачів: підсилювача несучої, зміщеного для роботи в режимі класу AB, та пікового підсилювача, зміщеного до режиму класу C. Дільник потужності розділяє вхідний сигнал порівну на кожен підсилювач з різницею фаз 90 °. Після посилення сигнал повторно синтезується через силовий з'єднувач. Два підсилювача працюють одночасно, коли вхідний сигнал знаходиться на піку, і кожен поводиться як опір навантаження для максимізації вихідної потужності.

Однак, коли потужність вхідного сигналу падає, піковий підсилювач класу C вимикається, і досі працює лише підсилювач несучої класу AB. При нижчих рівнях потужності несучий підсилювач класу AB поводиться як модульований опір навантаження для підвищення ефективності та посилення. Завдяки оновленій життєвості архітектури конструкція підсилювача Доерті досягла значного прогресу в швидких ітераціях і досягла великих успіхів.

Звичайно, жодна архітектура не є досконалою. Лінійність і вихідна потужність підсилювача Доерті дещо гірші, ніж підсилювач AB подвійного класу. Це приносить нам ще одну важливу схему, яка стала необхідним вибором у сучасному комунікаційному середовищі: технологію аналогової та цифрової лінеаризації. Найбільш широко використовується ця технологія - цифрове попередження спотворення (DPD), іноді поєднується із зменшенням коефіцієнта гребінця (CFR). І DPD, і CFR можуть значно зменшити спотворення Доерті, а обережна конструкція пристрою та підсилювача може мінімізувати втрати лінійності. Однак вони не є строго визначеними для використання в підсилювачах Доерті, і їх ефекти є цілком очевидними при використанні в інших структурах підсилювачів.

1. Покращення лінійності

Сучасна технологія цифрової модуляції вимагає, щоб лінійність підсилювача була досить високою, інакше відбуватимуться спотворення інтермодуляції і якість сигналу буде знижуватися. На жаль, коли підсилювачі працюють з найкращими показниками, усі вони наближаються до рівня насиченості. Пізніше вони стають нелінійними, вихідна потужність ВЧ падає зі збільшенням вхідної потужності, і починають з'являтися значні спотворення. Це спотворення може спричинити перехресні перешкоди між сусідніми каналами чи послугами. В результаті проектувальники, як правило, віддають вихідну потужність ВЧ в "безпечну зону", щоб забезпечити лінійність. Коли вони роблять це, для досягнення заданої вихідної потужності ВЧ необхідні кілька радіочастотних транзисторів, що збільшить споживання струму і призведе до скорочення часу автономної роботи або вищих експлуатаційних витрат на базових станціях.

DPD ефективно вводить "проти спотворення" на вході підсилювача, усуваючи нелінійність підсилювача. Як результат, підсилювачу не потрібно повертатися до оптимальної робочої точки, і, отже, більше не потрібно пристроїв радіочастотного живлення. Оскільки підсилювачі стають більш ефективними, перевагами є зменшення витрат на охолодження та все важливе споживання енергії. Коли CFR працює, спотворення постійно перевіряються за рахунок зменшення співвідношення піків до середнього вхідного сигналу. Цей метод зменшує пікове значення сигналу, щоб сигнал не спричиняв відсікання або спотворення при проходженні через підсилювач. Коли DPD і CFR використовуються разом, можна досягти більшого виграшу.
2. Метод позафазного підсилювача потужності

Інша технологія - це запатентована технологія, винайдена та утримувана Анрі Ширеєм майже 80 років тому. Зазвичай його називають "перехідним" (підсилювач потужності, що входить до складу сімейства технологій модуляції навантаження). В даний час він використовується Fujitsu, NXP та ін. Для підвищення ефективності підсилювача. Він поєднує в собі два нелінійних підсилювача потужності, які рухаються від сигналів різних фаз. Оскільки фаза управляється, коли зв’язаний вихідний сигнал, використання РЧ-підсилювачів потужності класу В може досягти підвищення ефективності. Ретельні методи проектування, особливо підбираючи відповідний реактивний опір, можуть оптимізувати систему до певної амплітуди на виході, що призведе до збільшення ефективності вдвічі (принаймні теоретично).

Торік Fujitsu оголосив, що застосував метод перекривання в певному підсилювачі потужності, інтегруючи компактну схему зв'язку з низькими втратами та схему корекції фазової помилки на основі DSP, що становить 65% загального часу передачі існуючі підсилювачі. , Час передачі підсилювача може перевищувати 95%. Для перевірки конструкції пікова потужність цього підсилювача потужності може досягати 100 Вт; середній електричний ККД збільшується з 50% до 70%.

Вхідний сигнал розділений на два сигнали з постійною амплітудою та зміною фази. Амплітуда встановлюється відповідно до радіочастотного пристрою живлення, а схема з'єднання живлення реконструює форму сигналу джерела. Раніше, коли джерело сигналу було реконструйовано, втрата точності зв'язку необхідна для визначення різниці фаз, що перешкоджало комерціалізації цієї технології. Муфта, що використовується Fujitsu, має коротший шлях передачі сигналу, що зменшує втрати і збільшує пропускну здатність.

3. Перспективний розвиток NXP

Варіант механізму виведення фази без ефекту модуляції навантаження називається лінійним підсилювачем нелінійної концепції (LINC), який використовує окрему стяжку та підсилювач для посилення насиченості та може ефективно покращити лінійність та пікову ефективність. Однак ефективність підсилювачів LINC є відносно низькою, оскільки кожен підсилювач працює з постійною потужністю, навіть на низьких рівнях вихідної частоти. Chireix виправив це, поєднуючи перекриття з несепараційною стяжкою та модуляцією навантаження для збільшення середньої ефективності. NXP Semiconductors зробила подальше вдосконалення, використовуючи високочастотне управління двома РЧ-підсилювачами в режимі перемикання, щоб адаптувати їх до сигналів з високим коефіцієнтом гребеня. Компанія поєднує технологію Chireixoutphasing з комутаційними підсилювачами класу Е GaN HEMT (рисунок 3).

Рисунок 3: Спрощена блок-схема підсилювача потужності позафазного підсилювача Chireix

Нова технологія драйверів, розроблена і запатентована NXP, дозволяє підсилювачу досягти високої ефективності в смузі пропускання приблизно 25%, керуючи фазовим співвідношенням. Це призвело до нової архітектури, яка поєднує в собі підсилювачі класу Е та модуляцію навантаження для підтримки високої ефективності підсилювачів при виході з насиченості, що дозволяє їм адаптуватися до різних складних форм хвиль. NXP надав еталонну конструкцію підсилювача потужності Е-класу на основі пристроїв GaN та додав технічну інформацію, пов'язану з Chireix.

4. Відстеження конвертів

Ще однією ключовою технологією, на яку звертають увагу дизайнери підсилювачів, є відстеження конвертів. У цій технології напруга, що подається на підсилювач потужності, постійно регулюється, щоб забезпечити його роботу в області піків для максимізації потужності. Порівняно з фіксованою напругою, що забезпечується перетворювачем постійного струму в типовій конструкції підсилювача потужності, блок живлення огинаючої модулює модульоване джерело живлення, підключене до підсилювача, з високою пропускною здатністю, низьким рівнем шуму, яка синхронізується з миттєвою огинаючою сигналу.

Застосування технології відстеження конвертів у радіочастотних пристроях CMOS має значну привабливість. Nujira розробляє цю технологію протягом багатьох років. Вони показали, що ця технологія може подолати недоліки, спричинені нелінійністю в застосуванні РЧ-підсилювачів CMOS. Підсилювачі потужності CMOS критикуються як поганий вибір для сучасної технології модуляції з високим коефіцієнтом PAR через їх притаманну погану лінійність, що вимагає від них зменшення спотворень. Коли підсилювачі CMOS працюють на більш високих рівнях РЧ потужності, відбуватимуться відсікання та спотворення.

Однак Nujira поєднує запатентовану технологію лінеаризації ISOGAIN із власною технологією відстеження конвертів, щоб усунути проблеми лінійності без використання DPD. Обладнання, що використовує цю технологію, досягло мети високої ефективності та досягло тієї ж продуктивності, що і GaAs в інших аспектах. Величезною перевагою всіх досліджень підсилювачів CMOS є те, що пристрої CMOS є всюдисущими у всій електронній промисловості, що підтримується багатьма ливарними цехами, тому вони відносно дешеві. Оскільки він заснований на кремнії, можливо також безпосередньо інтегрувати схеми управління та зміщення на мікросхемі підсилювача потужності.

5. Інші зовсім інші методи

Ще однією технологією підсилювача виступила компанія Eta Devices, компанія, відокремлена від Массачусетського технологічного інституту, і була заснована двома професорами електротехніки Джоелем Доусоном та Девідом Перро та колишнім дослідником підсилювачів з Ericsson та Huawei. Технологія асиметричного багаторівневого виведення (AMO) була розроблена компанією MIT, яку спільно інвестували співзасновник ADI Рей Стата та його компанія венчурного капіталу Stata Venture Partners.

Основною метою компанії є ринки, що розвиваються, включаючи до 640,000 15 базових станцій дизель-генератора, які коштують 5 мільярдів доларів США на рік у паливі, а потім ринок смартфонів. У лютому цього року Eta Devices продемонструвала своє обладнання Eta80 на секції Advanced LTE Світового конгресу мобільного зв'язку в Барселоні, Іспанія. Канал передачі обладнання перевищує XNUMX МГц.

Eta Devices сміливо заявила, що її технологія ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking), як очікується, зменшить витрати енергії базової станції на 50%. Він також стверджує, що може подвоїти час автономної роботи смартфонів. Передумова полягає в тому, що ВЧ-транзистор потужності підсилювача споживає енергію одночасно в режимі очікування та режимі передачі, і єдиним способом підвищення ефективності є зменшення потужності в режимі очікування до мінімально можливого рівня.
Переключення між режимом очікування з низьким споживанням енергії та високою вихідною потужністю спричинить спотворення. Існуючі системи повинні підтримувати високий рівень потужності в режимі очікування, щоб постійно виявляти цей стан за рахунок високого енергоспоживання. Підхід Eta Devices полягає у виборі напруги, яка споживає найменше енергоспоживання на транзисторі, шляхом дискретизації до 20 мільйонів разів на секунду.

Інша проблема полягає в тому, що компанія пояснила, що вимоги LTE Advanced та пропускна здатність 100 МГц створять величезний попит на підсилювачі потужності. Відстеження конвертів одне не може пристосуватися до цієї ситуації, оскільки воно не може підтримувати канали ширше ніж 40 МГц. За словами компанії, ETAdvanced підтримує канали до 160 МГц, тому може задовольнити як LTE-Advanced, так і 802.11ac Wi-Fi. Базові станції, що використовують її технологію, можуть бути дуже малими, і компанія стверджує, що вона розробила перший передавач LTE із середньою ефективністю більше 70%.

6. резюме

Якщо ви повністю опишете поточну роботу, зроблену з метою підвищення ефективності використання радіочастот, ви можете написати велику книгу. Цей зміст не обмежується сферою обговорення в цій статті, але також включає використання різних типів підсилювачів та допоміжних технологій. Поєднання цих технологій може дати значні результати. Незалежно від того, наскільки прогресу досягнуто, певно, що поки буде існувати попит на більш високі швидкості передачі даних, пошук вищої ефективності триватиме.