Hvordan forbedre effektiviteten til RF-forsterker?

De grunnleggende lovene for termodynamikk avslører at intet elektronisk utstyr kan oppnå 100% effektivitet - selv om strømforsyningen er relativt nær (opptil 98%). Dessverre er en hvilken som helst enhet som genererer RF-strøm for øyeblikket ikke i stand til å oppnå eller nærme den ideelle ytelsen, fordi det er for mange feil i prosessen med å konvertere likestrøm til RF-produktkraft, inkludert tapet forårsaket av hele signalbaneoverføringen, til driftsfrekvensen Tidstap, og det iboende karakteristiske tapet til enheten. Som et resultat kommenterte en artikkel i MIT Technology Review uhøytidelig RF-forsterkeren: "Det er en veldig ineffektiv maskinvare."

Ikke overraskende bruker alle aspekter av produsenter av RF-kraftprodukter, fra halvledere til forsterkere til sendere, samt universiteter og forsvarsdepartementet mye tid og økonomiske ressurser hvert år for å forbedre effektiviteten til RF-kraftenheter. Det er gode grunner til dette: Selv en liten økning i effektiviteten kan forlenge arbeidstiden til batteridrevne produkter og redusere det årlige strømforbruket til trådløse basestasjoner. Figur 1 viser andelen av RF-delen til det totale strømforbruket til basestasjonen.

Figur 1: Når du legger til relevante deler av forskjellige radiofrekvensprodukter i basestasjonens strømforbruk, vil det endelige resultatet være ganske stort.

Heldigvis, etter mange år med kontinuerlig innsats for å forbedre RF-effektiviteten, endres disse forholdene gradvis. Noen av disse oppgavene er på enhetsnivå, mens andre bruker noen innovative teknologier, som konvoluttsporing, ordninger for digital predistorsjon / crestfaktorreduksjon, og bruk av forsterkere som er mer avanserte enn vanlige AB-nivåer.

Et stort skifte i forsterkerdesign er Doherty-arkitekturen, som har blitt standarden for basestasjonsforsterkere innen 5 år. Siden Dr. Doherty fra Bell Laboratories (som da ble en del av Westinghouse Electric) oppfant denne arkitekturen i 1936, har den vært stille for det meste og har bare blitt brukt i noen få applikasjoner.

Dohertys forskning har skapt en ny forsterkerstruktur som kan gi ekstremt høy effektivitet når inngangssignalet har et veldig høyt topp / gjennomsnitt-forhold (PAR). Faktisk, hvis riktig utformet, kan effektiviteten til Doherty-forsterkere økes med 11% til 14% sammenlignet med standard parallelle klasse AB-forsterkere.

Selvfølgelig, i mange år etter 1936, har bare noen få typer signaler disse egenskapene, for eksempel AM og FM, som bruker moduleringsskjemaer i kommunikasjonssystemer. For tiden genererer nesten alle trådløse systemer høye PAR-signaler, fra WCDMA til CDMA2000 til ethvert system som bruker ortogonal frekvensdelingsmultipleksing (OFDM), som WiMAX, LTE og nylig Wi-Fi.

Figur 2: En typisk Doherty-forsterker

Den klassiske Doherty-forsterkeren (figur 2), som kan klassifiseres som en lastmodulasjonsarkitektur, består faktisk av to forsterkere: en bærerforsterker som er forutinntatt til å operere i klasse AB-modus, og en toppforsterker som er forspent til klasse C-modus. En kraftdeler deler inngangssignalet likt til hver forsterker med en 90 ° faseforskjell. Etter forsterkning syntetiseres signalet gjennom strømkoblingen. De to forsterkerne fungerer samtidig når inngangssignalet er på topp, og hver oppfører seg som en lastimpedans for å maksimere utgangseffekten.

Imidlertid, når inngangssignaleffekten synker, blir klasse C toppforsterkeren slått av, og bare klasse AB-bærerforsterkeren fungerer fortsatt. På lavere effektnivåer oppfører Class AB bærerforsterker seg som en modulert lastimpedans for å forbedre effektiviteten og forsterkningen. Med den fornyede vitaliteten i arkitekturen har Doherty forsterkerdesign gjort betydelige fremskritt i raske iterasjoner og oppnådd stor suksess.

Selvfølgelig er ingen arkitektur perfekt. Linjæriteten og utgangseffekten til Doherty-forsterkeren er litt dårligere enn AB-forsterkeren i dobbelt klasse. Dette gir oss en annen viktig krets som har blitt et uunnværlig valg i dagens kommunikasjonsmiljø: analog og digital lineariseringsteknologi. Den mest brukte av denne teknologien er digital forvrengning (DPD), noen ganger kombinert med crest factor reduction (CFR). Både DPD og CFR kan i stor grad redusere Dohertys forvrengning, og forsiktig enhets- og forsterkerdesign kan minimere tap av linearitet. Imidlertid er de ikke strengt definert for bruk i Doherty-forsterkere, og deres effekter er ganske åpenbare når de brukes i andre forsterkerstrukturer.

1. Forbedre linearitet

Moderne digital modulasjonsteknologi krever at forsterkerens linearitet er tilstrekkelig høy, ellers vil intermodulasjonsforvrengning oppstå og signalkvaliteten reduseres. Dessverre, når forsterkerne yter på sitt beste, er de alle nær metningsnivået. Senere blir de ikke-lineære, RF-effektuttaket synker når inngangseffekten øker, og betydelige forvrengninger begynner å vises. Denne forvrengningen kan føre til krysstale mellom tilstøtende kanaler eller tjenester. Som et resultat rykker designere vanligvis RF-utgangseffekten til en "sikker sone" for å sikre linearitet. Når de gjør dette, er flere RF-transistorer nødvendige for å oppnå en gitt RF-utgangseffekt, noe som vil øke strømforbruket og resultere i kortere batterilevetid eller høyere driftskostnader i basestasjoner.

DPD introduserer effektivt "anti-distortion" ved inngangen til forsterkeren, og eliminerer forsterkerens ikke-linearitet. Som et resultat trenger ikke forsterkeren å falle tilbake til det optimale driftspunktet, og det er derfor ikke behov for flere RF-kraftenheter. Etter hvert som forsterkere blir mer effektive, er fordelene reduserte kjølekostnader og alt viktig strømforbruk. Når CFR fungerer, blir forvrengningen kontinuerlig kontrollert ved å redusere topp-til-gjennomsnitt-forholdet til inngangssignalet. Denne metoden reduserer toppverdien til signalet slik at signalet ikke forårsaker klipping eller forvrengning når det passerer gjennom forsterkeren. Når DPD og CFR brukes sammen, kan større gevinst oppnås.
2. Utenfase effektforsterkermetode

En annen teknologi er en patentert teknologi som ble oppfunnet og holdt av Henri Chireix for snart 80 år siden. Det kalles vanligvis "outphasing" (outphasing power amplifier, a member of the load modulation technology family). Den brukes for tiden av Fujitsu, NXP, etc. For å forbedre forsterkerens effektivitet. Den kombinerer to ikke-lineære RF-effektforsterkere, som drives av signaler fra forskjellige faser. Fordi fasen styres når utgangssignalet er koblet, kan bruk av klasse B RF-effektforsterkere oppnå effektivitetsgevinster. Nøye designteknikker, spesielt valg av riktig reaktans, kan optimalisere systemet til en bestemt utgangsamplitude, noe som vil gi dobbelt så stor effektivitetsøkning (i det minste teoretisk).

Fujitsu kunngjorde i fjor at de har vedtatt metoden for utheving i en bestemt effektforsterker, som integrerer en kompakt, koblingskrets med lavt tap, og med en DSP-basert fasekorrigeringskrets, som er 65% av overføringstiden som er felles for eksisterende forsterkere. , Overføringstiden til forsterkeren kan overstige 95%. For å teste designet kan toppeffekten til denne effektforsterkeren nå 100 watt; den gjennomsnittlige elektriske effektiviteten økes fra 50% til 70%.

Inngangssignalet er delt inn i to signaler med konstant amplitude og faseendringer. Amplituden er satt i henhold til RF-kraftenheten, og kraftkoblingskretsen rekonstruerer kildesignalbølgeformen. Tidligere, da kildesignalet ble rekonstruert, var tapet av koblingsnøyaktighet nødvendig for å bestemme faseforskjellen, noe som forhindret kommersialisering av denne teknologien. Koblingen som brukes av Fujitsu har en kortere signalbane, noe som reduserer tap og øker båndbredden.

3. NXPs lovende utvikling

En variant av Outphasing-mekanismen uten belastningsmodulasjonseffekt kalles Linear Amplifier of Nonlinear Concept (LINC), som bruker et separat koblings- og forsterkerstrinn for å kjøre til metning, og effektivt kan forbedre linearitet og toppeffektivitet. Effektiviteten til LINC-forsterkere er imidlertid relativt lav, fordi hver forsterker opererer med konstant effekt, selv ved lave RF-utgangsnivåer. Chireix korrigerte dette ved å kombinere utheving med en ikke-separert kobling og lastmodulering for å øke gjennomsnittseffektiviteten. NXP Semiconductors har gjort en ytterligere forbedring ved å bruke utheving for å kontrollere to brytermodus RF-forsterkere for å tilpasse dem til signaler med høy toppfaktor. Selskapet kombinerer Chireixoutphasing-teknologi med GaN HEMT bytter klasse E-forsterkere (figur 3).

Figur 3: Blokkdiagram over forenklet Chireix ut-av-fase effektforsterker

Den nye driverteknologien utviklet og patentert av NXP gjør at forsterkeren kan oppnå høy effektivitet over en båndbredde på omtrent 25% ved å kontrollere faseforholdet. Dette har ført til en ny arkitektur som kombinerer klasse E-forsterkere og lastmodulering for å opprettholde den høye effektiviteten til forsterkerne når de går ut av metning, noe som gjør at de kan tilpasse seg forskjellige komplekse bølgeformer. NXP ga en referansedesign for E-klasse RF-forsterker basert på GaN-enheter, og vedlagt Chireix-relatert teknisk informasjon.

4. Konvoluttsporing

En annen viktig teknologi som forsterkerdesignere tar hensyn til, er konvoluttsporing. I denne teknologien justeres spenningen som påføres forsterkeren kontinuerlig for å sikre at den fungerer i toppområdet for å maksimere effekten. Sammenlignet med den faste spenningen fra DC-DC-omformeren i en typisk effektforsterkerdesign, modulerer konvoluttregistreringsstrømforsyningen strømforsyningen som er koblet til forsterkeren med en bølgeform med høy båndbredde og lite støy, som synkroniseres med den øyeblikkelige konvolutten signal.

Bruken av konvoluttsporingsteknologi i CMOS RF-kraftenheter har betydelig appell. Nujira har utviklet denne teknologien i mange år. De har vist at denne teknologien kan overvinne manglene forårsaket av ikke-lineariteter i CMOS RF-forsterkerapplikasjoner. CMOS-forsterkere har blitt kritisert som et dårlig valg for dagens høy PAR-modulasjonsteknologi på grunn av deres iboende dårlige linearitet, noe som krever at de faller tilbake for å redusere forvrengning. Når CMOS-forsterkere betjenes ved høyere RF-effektnivå, vil klipping og forvrengning oppstå.

Imidlertid kombinerer Nujira sin patenterte ISOGAIN-lineariseringsteknologi i sin proprietære konvoluttsporingsteknologi for å eliminere linearitetsproblemer uten å bruke DPD. Utstyret som bruker denne teknologien har nådd målet om høy effektivitet og har oppnådd samme ytelse som GaAs i andre aspekter. En stor fordel med all forskning på CMOS-forsterkere er at CMOS-enheter er allestedsnærværende i hele elektronikkindustrien, støttet av mange støperier, så de er relativt billige. Fordi det er basert på silisium, er det også mulig å integrere kontroll- og forspenningskretser direkte på effektforsterkerbrikken.

5. Andre helt andre metoder

En annen forsterkerteknologi ble anbefalt av Eta Devices, et selskap som ble skilt ut fra Massachusetts Institute of Technology, og ble grunnlagt av to elektrofagprofessorer Joel Dawson og David Perreault og en tidligere forsterkerforsker fra Ericsson og Huawei. Asymmetric Multi-Level Outphasing (AMO) -teknologien ble utviklet av MIT, som ble investert i fellesskap av ADIs medstifter Ray Stata og hans risikokapitalfirma Stata Venture Partners.

Selskapets primære mål er fremvoksende markeder, inkludert så mange som 640,000 15 basestasjoner for dieselgeneratorer som koster 5 milliarder dollar per år når det gjelder drivstoff, etterfulgt av smarttelefonmarkedet. I februar i år demonstrerte Eta Devices sitt Eta80-utstyr ved Advanced LTE-delen av Mobile Communications World Congress i Barcelona, Spania. Overføringskanalen til utstyret overstiger XNUMX MHz.

Eta Devices erklærte frimodig at ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking) -teknologien forventes å redusere basestasjonens energikostnader med 50%. Den hevder også at den kan doble batterilevetiden til smarttelefoner. Forutsetningen er at RF-effekttransistoren til forsterkeren bruker strømforbruk samtidig i standby-modus og sendemodus, og den eneste måten å forbedre effektiviteten er å redusere standby-effekten til et lavest mulig nivå.
Bytte mellom standby-modus med lavt strømforbruk og høy effekt vil føre til forvrengning. Eksisterende systemer må opprettholde et høyt standbyeffektnivå for kontinuerlig å oppdage denne tilstanden, på bekostning av høyt strømforbruk. Eta Devices 'tilnærming er å velge spenningen som forbruker det laveste strømforbruket over transistoren ved å samle opptil 20 millioner ganger per sekund.

Et annet problem er at selskapet forklarte at kravene til LTE Advanced og 100 MHz båndbredde vil skape stor etterspørsel etter RF-forsterkere. Konvoluttsporing alene kan ikke tilpasse seg denne situasjonen, fordi den ikke kan støtte kanaler som er bredere enn 40 MHz. Ifølge selskapet støtter ETAdvanced kanaler opp til 160 MHz, slik at det kan møte både LTE-Advanced og 802.11ac Wi-Fi. Basestasjoner som bruker teknologien kan være veldig små, og selskapet hevder at de har utviklet den første LTE-senderen med en gjennomsnittlig effektivitet på mer enn 70%.

6. Sammendrag

Hvis du fullt ut beskriver det nåværende arbeidet som er gjort for å forbedre RF-energieffektivitet, kan du skrive en stor bok. Dette innholdet er ikke begrenset til omfanget som er diskutert i denne artikkelen, men inkluderer også bruk av forskjellige typer forsterkere og støtteteknologier. Kombinasjonen av disse teknologiene kan gi meningsfulle resultater. Uansett hvor mye fremgang det er gjort, er det sikkert at så lenge etterspørselen etter høyere datahastigheter fortsatt eksisterer, vil søken etter høyere effektivitet fortsette.