Hoe de efficiëntie van de RF-eindversterker te verbeteren?

De basiswetten van de thermodynamica laten zien dat geen enkele elektronische apparatuur 100% efficiëntie kan bereiken, hoewel schakelende voedingen relatief dichtbij zijn (tot 98%). Helaas is elk apparaat dat RF-vermogen genereert momenteel niet in staat om de ideale prestaties te bereiken of in de buurt te komen, omdat er te veel defecten zijn in het proces van het omzetten van DC-vermogen in RF-productvermogen, inclusief het verlies veroorzaakt door de gehele signaalpadtransmissie, om de bedrijfsfrequentie Tijdsverlies en het inherente karakteristieke verlies van het apparaat. Als resultaat gaf een artikel in de MIT Technology Review zonder pardon commentaar op de RF-vermogensversterker: "Het is een zeer inefficiënte hardware."

Het is niet verrassend dat elk aspect van fabrikanten van RF-stroomproducten, van halfgeleiders tot versterkers tot zenders, maar ook van universiteiten en het ministerie van Defensie, elk jaar veel tijd en financiële middelen besteedt aan het verbeteren van de efficiëntie van RF-stroomapparaten. Daar zijn goede redenen voor: zelfs een kleine toename van de efficiëntie kan de werktijd van batterijgevoede producten verlengen en het jaarlijkse stroomverbruik van draadloze basisstations verminderen. Figuur 1 toont de verhouding van het RF-deel tot het totale stroomverbruik van het basisstation.

Figuur 1: Door de relevante onderdelen van verschillende radiofrequentieproducten toe te voegen aan het stroomverbruik van het basisstation, zal het eindresultaat behoorlijk groot zijn.

Gelukkig veranderen deze omstandigheden na jaren van voortdurende inspanningen om de RF-efficiëntie te verbeteren geleidelijk. Sommige van deze taken zijn op apparaatniveau, terwijl andere gebruik maken van enkele innovatieve technologieën, zoals het volgen van de envelop, schema's voor digitale voorvervorming / crestfactorreductie en het gebruik van versterkers die geavanceerder zijn dan gewone klasse AB-niveaus.

Een belangrijke verschuiving in het ontwerp van de versterker is de Doherty-architectuur, die binnen 5 jaar de standaard is geworden voor basisstationversterkers. Sinds Dr. Doherty van Bell Laboratories (dat toen onderdeel werd van Westinghouse Electric) deze architectuur in 1936 uitvond, is het de meeste tijd stil geweest en is het slechts in een paar toepassingen gebruikt.

Doherty's onderzoek heeft een nieuwe versterkerstructuur gecreëerd die een extreem hoge efficiëntie kan bieden wanneer het ingangssignaal een zeer hoge piek-tot-gemiddelde verhouding (PAR) heeft. Indien goed ontworpen, kan de efficiëntie van Doherty-versterkers zelfs met 11% tot 14% worden verhoogd in vergelijking met standaard parallelle klasse AB-versterkers.

Natuurlijk bezitten gedurende vele jaren na 1936 slechts enkele soorten signalen deze kenmerken, zoals AM en FM, die modulatieschema's in communicatiesystemen gebruiken. Op dit moment genereert bijna elk draadloos systeem hoge PAR-signalen, van WCDMA tot CDMA2000 tot elk systeem dat orthogonale frequentieverdelingsmultiplexing (OFDM) gebruikt, zoals WiMAX, LTE en meer recentelijk Wi-Fi.

Figuur 2: een typische Doherty-versterker

De klassieke Doherty-versterker (figuur 2), die kan worden geclassificeerd als een belastingsmodulatiearchitectuur, bestaat in feite uit twee versterkers: een draaggolfversterker die is ingesteld om in klasse AB-modus te werken, en een piekversterker die is ingesteld op klasse C-modus. Een vermogensverdeler verdeelt het ingangssignaal gelijkelijk over elke versterker met een faseverschil van 90 °. Na versterking wordt het signaal opnieuw gesynthetiseerd via de vermogenskoppeling. De twee versterkers werken op hetzelfde moment wanneer het ingangssignaal zijn piek bereikt, en elk gedraagt zich als een belastingsimpedantie om het uitgangsvermogen te maximaliseren.

Als het ingangssignaal echter daalt, wordt de klasse C-piekversterker uitgeschakeld en werkt alleen de klasse AB-draaggolfversterker nog steeds. Bij lagere vermogensniveaus gedraagt de Klasse AB-draaggolfversterker zich als een gemoduleerde belastingsimpedantie om de efficiëntie en versterking te verbeteren. Met de hernieuwde vitaliteit van de architectuur heeft het ontwerp van de Doherty-versterker aanzienlijke vooruitgang geboekt in snelle iteraties en groot succes behaald.

Natuurlijk is geen enkele architectuur perfect. De lineariteit en het uitgangsvermogen van de Doherty-versterker zijn iets slechter dan die van de dual class AB-versterker. Dit brengt ons een ander belangrijk circuit dat een onmisbare keuze is geworden in de huidige communicatieomgeving: analoge en digitale linearisatietechnologie. De meest gebruikte van deze technologie is digitale voorvervorming (DPD), soms gecombineerd met crestfactorreductie (CFR). Zowel DPD als CFR kunnen de vervorming van Doherty aanzienlijk verminderen, en een zorgvuldig ontwerp van het apparaat en de versterker kan het verlies aan lineariteit minimaliseren. Ze zijn echter niet strikt gedefinieerd voor gebruik in Doherty-versterkers, en hun effecten zijn vrij duidelijk wanneer ze in andere versterkerstructuren worden gebruikt.

1. Verbeter de lineariteit

Moderne digitale modulatietechnologie vereist dat de lineariteit van de versterker voldoende hoog is, anders treedt intermodulatievervorming op en neemt de signaalkwaliteit af. Helaas, wanneer de versterkers op hun best presteren, zijn ze allemaal dicht bij hun verzadigingsniveaus. Later worden ze niet-lineair, daalt het RF-uitgangsvermogen naarmate het ingangsvermogen toeneemt en beginnen significante vervormingen te verschijnen. Deze vervorming kan overspraak veroorzaken tussen aangrenzende kanalen of services. Dientengevolge schakelen ontwerpers het RF-uitgangsvermogen meestal terug naar een "veilige zone" om lineariteit te garanderen. Wanneer ze dit doen, zijn meerdere RF-transistors nodig om een bepaald RF-uitgangsvermogen te bereiken, wat het stroomverbruik verhoogt en resulteert in een kortere levensduur van de batterij of hogere bedrijfskosten in basisstations.

DPD introduceert effectief "anti-vervorming" aan de ingang van de versterker, waardoor de niet-lineariteit van de versterker wordt geëlimineerd. Hierdoor hoeft de versterker niet terug te vallen naar het optimale werkpunt en zijn er dus geen RF-vermogensapparaten meer nodig. Naarmate versterkers efficiënter worden, zijn de voordelen lagere koelkosten en al het belangrijke stroomverbruik. Als CFR werkt, wordt de vervorming continu gecontroleerd door de piek-gemiddelde verhouding van het ingangssignaal te verkleinen. Deze methode vermindert de piekwaarde van het signaal, zodat het signaal geen afknelling of vervorming veroorzaakt wanneer het door de versterker gaat. Wanneer DPD en CFR samen worden gebruikt, kan een grotere winst worden behaald.
2. Uit-fase eindversterkermethode

Een andere technologie is een gepatenteerde technologie die bijna 80 jaar geleden is uitgevonden en in bezit van Henri Chireix. Het wordt gewoonlijk "outphasing" genoemd (outphasing vermogensversterker, een lid van de familie van belastingmodulatietechnologie). Het wordt momenteel gebruikt door Fujitsu, NXP, enz. Om de efficiëntie van de versterker te verbeteren. Het combineert twee niet-lineaire RF-vermogensversterkers, die worden aangedreven door signalen van verschillende fasen. Omdat de fase wordt geregeld wanneer het uitgangssignaal wordt gekoppeld, kan het gebruik van klasse B RF-vermogensversterkers efficiëntiewinst opleveren. Zorgvuldige ontwerptechnieken, met name het selecteren van de juiste reactantie, kunnen het systeem optimaliseren tot een specifieke outputamplitude, waardoor de efficiëntie tweemaal zo hoog is (althans in theorie).

Fujitsu kondigde vorig jaar aan dat het de uitfaseringsmethode heeft toegepast in een bepaalde vermogensversterker, door een compact, verliesarm vermogenskoppelcircuit te integreren en met een op DSP gebaseerd fasefoutcorrectiecompensatiecircuit, dat 65% van de transmissietijd is die gebruikelijk is voor bestaande versterkers. , De zendtijd van de versterker kan meer dan 95% bedragen. Om het ontwerp te testen, kan het piekvermogen van deze eindversterker 100 watt bereiken; het gemiddelde elektrische rendement wordt verhoogd van 50% naar 70%.

Het ingangssignaal is verdeeld in twee signalen met constante amplitude en faseveranderingen. De amplitude wordt ingesteld volgens het RF-vermogensapparaat en het vermogenskoppelingscircuit reconstrueert de golfvorm van het bronsignaal. Voorheen, toen het bronsignaal werd gereconstrueerd, was het verlies aan koppelingsnauwkeurigheid nodig om het faseverschil te bepalen, wat de commercialisering van deze technologie verhinderde. De door Fujitsu gebruikte koppeling heeft een korter signaalpad, waardoor het verlies wordt verminderd en de bandbreedte toeneemt.

3. De veelbelovende ontwikkeling van NXP

Een variant van het uitfaseringsmechanisme zonder belastingmodulatie-effect wordt Linear Amplifier of Nonlinear Concept (LINC) genoemd, die een afzonderlijke koppeling en versterkertrap gebruikt om naar verzadiging te rijden en de lineariteit en piekefficiëntie effectief kan verbeteren. De efficiëntie van LINC-versterkers is echter relatief laag, omdat elke versterker met een constant vermogen werkt, zelfs bij lage RF-uitgangsniveaus. Chireix corrigeerde dit door outphasing te combineren met een niet-gescheiden koppeling en belastingsmodulatie om het gemiddelde rendement te verhogen. NXP Semiconductors heeft een verdere verbetering doorgevoerd, door uitfasering te gebruiken om twee geschakelde RF-versterkers aan te sturen om ze aan te passen aan signalen met een hoge piekfactor. Het bedrijf combineert Chireixoutphasing-technologie met GaN HEMT-schakelende Klasse E-versterkers (Figuur 3).

Figuur 3: Vereenvoudigd Chireix-blokschema voor uit-fase eindversterker

De nieuwe drivertechnologie, ontwikkeld en gepatenteerd door NXP, stelt de versterker in staat om een hoge efficiëntie te bereiken over een bandbreedte van ongeveer 25% door de faserelatie te regelen. Dit heeft geleid tot een nieuwe architectuur die Klasse E-versterkers en belastingsmodulatie combineert om het hoge rendement van de versterkers te behouden wanneer ze de verzadiging verlaten, waardoor ze zich kunnen aanpassen aan verschillende complexe golfvormen. NXP leverde een referentieontwerp voor de E-class RF-vermogensversterker op basis van GaN-apparaten, en bijgevoegde technische informatie over Chireix.

4. Envelop volgen

Een andere belangrijke technologie waar versterkerontwerpers op letten, is het volgen van enveloppen. Bij deze technologie wordt de spanning die op de vermogensversterker wordt toegepast continu aangepast om ervoor te zorgen dat deze in het piekgebied werkt om het vermogen te maximaliseren. Vergeleken met de vaste spanning die wordt geleverd door de DC-DC-omzetter in een typisch vermogensversterkerontwerp, moduleert de omhullende-trackingvoeding de voeding die op de versterker is aangesloten met een golfvorm met hoge bandbreedte en weinig ruis, die wordt gesynchroniseerd met de momentane omhullende signaal.

Het gebruik van envelopvolgtechnologie in CMOS RF-vermogensapparaten heeft een grote aantrekkingskracht. Nujira ontwikkelt deze technologie al jaren. Ze hebben aangetoond dat deze technologie de tekortkomingen kan overwinnen die worden veroorzaakt door niet-lineariteiten in CMOS RF-versterkertoepassingen. CMOS-eindversterkers zijn bekritiseerd als een slechte keuze voor de huidige hoge PAR-modulatietechnologie vanwege hun inherente slechte lineariteit, waardoor ze moeten terugvallen om vervorming te verminderen. Wanneer CMOS-versterkers worden gebruikt op hogere RF-vermogensniveaus, treedt clipping en vervorming op.

Nujira combineert echter zijn gepatenteerde ISOGAIN-linearisatietechnologie in zijn gepatenteerde technologie voor het volgen van enveloppen om lineariteitsproblemen te elimineren zonder DPD te gebruiken. De apparatuur die deze technologie gebruikt, heeft het doel van hoge efficiëntie bereikt en heeft dezelfde prestaties behaald als GaAs in andere aspecten. Een groot voordeel van al het onderzoek naar CMOS-versterkers is dat CMOS-apparaten alomtegenwoordig zijn in de hele elektronica-industrie, ondersteund door veel gieterijen, en dus relatief goedkoop zijn. Omdat het op silicium is gebaseerd, is het ook mogelijk om regel- en bias-circuits direct op de eindversterkerchip te integreren.

5. Andere totaal verschillende methoden

Een andere versterkertechnologie werd bepleit door Eta Devices, een bedrijf dat is afgesplitst van het Massachusetts Institute of Technology, en werd mede opgericht door twee hoogleraren elektrotechniek Joel Dawson en David Perreault en een voormalig versterkeronderzoeker van Ericsson en Huawei. De Asymmetric Multi-Level Outphasing (AMO) -technologie is ontwikkeld door MIT, dat gezamenlijk werd geïnvesteerd door ADI-mede-oprichter Ray Stata en zijn venture capital-bedrijf Stata Venture Partners.

Het primaire doel van het bedrijf zijn opkomende markten, waaronder maar liefst 640,000 basisstations voor dieselgeneratoren die 15 miljard dollar per jaar aan brandstof kosten, gevolgd door de smartphonemarkt. In februari van dit jaar demonstreerde Eta Devices zijn Eta5-apparatuur op de Advanced LTE-sectie van het Mobile Communications World Congress in Barcelona, Spanje. Het transmissiekanaal van de apparatuur overschrijdt 80 MHz.

Eta Devices verklaarde stoutmoedig dat de ETAdvanced-technologie (Advanced Envelope Tracking) naar verwachting de energiekosten van het basisstation met 50% zal verlagen. Het beweert ook dat het de batterijduur van smartphones kan verdubbelen. Het uitgangspunt is dat de RF-vermogenstransistor van de versterker gelijktijdig stroomverbruik verbruikt in de stand-bymodus en de zendmodus, en de enige manier om de efficiëntie te verbeteren is door het stand-byvermogen tot het laagst mogelijke niveau te verminderen.
Schakelen tussen stand-bymodus met laag stroomverbruik en hoog vermogen zal vervorming veroorzaken. Bestaande systemen moeten een hoog stand-byvermogen hebben om deze toestand continu te detecteren, ten koste van een hoog energieverbruik. De benadering van Eta Devices is om de spanning te selecteren die het laagste stroomverbruik over de transistor verbruikt door tot 20 miljoen keer per seconde te bemonsteren.

Een ander probleem is dat het bedrijf uitlegde dat de LTE Advanced en 100 MHz bandbreedtevereisten een enorme vraag naar RF-vermogensversterkers zullen creëren. Envelope-tracking alleen kan zich niet aanpassen aan deze situatie, omdat het geen kanalen ondersteunt die breder zijn dan 40 MHz. Volgens het bedrijf ondersteunt ETAdvanced kanalen tot 160 MHz, zodat het kan voldoen aan zowel LTE-Advanced als 802.11ac Wi-Fi. Basisstations die zijn technologie gebruiken, kunnen erg klein zijn, en het bedrijf beweert dat het de eerste LTE-zender heeft ontwikkeld met een gemiddeld rendement van meer dan 70%.

6. Overzicht

Als je het huidige werk dat wordt gedaan om de efficiëntie van RF-energie te verbeteren volledig beschrijft, kun je een groot boek schrijven. Deze inhoud is niet beperkt tot de reikwijdte die in dit artikel wordt besproken, maar omvat ook het gebruik van verschillende soorten versterkers en ondersteunende technologieën. De combinatie van deze technologieën kan zinvolle resultaten opleveren. Hoeveel vooruitgang er ook wordt geboekt, het is zeker dat zolang de vraag naar hogere datasnelheden blijft bestaan, de zoektocht naar hogere efficiëntie zal doorgaan.