Як павысіць эфектыўнасць узмацняльніка частоты?
Асноўныя законы тэрмадынамікі паказваюць, што ні адно электроннае абсталяванне не можа дасягнуць 100% эфектыўнасці, хоць імпульсныя крыніцы харчавання адносна блізкія (да 98%). На жаль, любая прылада, якая генеруе ВЧ-сілу, у цяперашні час не можа дасягнуць ідэальнай прадукцыйнасці альбо наблізіцца да яе, таму што ў працэсе пераўтварэння магутнасці пастаяннага току ў магутнасць ВЧ-прадукцыі занадта шмат дэфектаў, уключаючы страты, выкліканыя ўсёй перадачай шляху сігналу, у працоўная частата Страта часу і ўласцівыя характарыстыцы страты прылады. У выніку ў артыкуле MIT Technology Review бесцырымонна пракаментаваны радыёчастотны ўзмацняльнік магутнасці: "Гэта вельмі неэфектыўнае абсталяванне".
Не дзіўна, што ўсе аспекты вытворчасці радыёчастотнай прадукцыі, пачынаючы ад паўправаднікоў, узмацняльнікаў і перадатчыкаў, а таксама універсітэты і міністэрства абароны, штогод марнуюць шмат часу і фінансавых рэсурсаў на павышэнне эфектыўнасці радыёчастотных сілавых прылад. Для гэтага ёсць важкія прычыны: нават нязначнае павелічэнне эфектыўнасці можа падоўжыць час працы прадуктаў, якія працуюць ад батарэй, і паменшыць гадавое спажыванне электраэнергіі бесправаднымі базавымі станцыямі. На малюнку 1 паказана доля ВЧ-часткі ў агульным спажыванні электраэнергіі базавай станцыі.
Малюнак 1: Калі дадаць адпаведныя часткі розных радыёчастотных прадуктаў у энергаспажыванне базавай станцыі, канчатковы вынік будзе даволі вялікім.
На шчасце, пасля шматгадовых намаганняў па павышэнні эфектыўнасці радыёчастот гэтыя ўмовы паступова мяняюцца. Некаторыя з гэтых задач знаходзяцца на ўзроўні прылад, у той час як іншыя выкарыстоўваюць некаторыя інавацыйныя тэхналогіі, такія як адсочванне канверта, лічбавыя схемы памяншэння каэфіцыента папярэджання / грэбня і выкарыстанне ўзмацняльнікаў, якія больш дасканалыя, чым звычайныя ўзроўні AB.
Асноўным зрухам у дызайне ўзмацняльнікаў з'яўляецца архітэктура Doherty, якая стала стандартам для ўзмацняльнікаў базавых станцый на працягу 5 гадоў. З таго часу, як доктар Доэрці з Bell Laboratories (які затым стаў часткай Westinghouse Electric) вынайшаў гэтую архітэктуру ў 1936 годзе, яна большую частку часу маўчала і выкарыстоўвалася толькі ў некалькіх прыкладаннях.
Даследаванні Доерці стварылі новую структуру ўзмацняльніка, якая можа забяспечыць надзвычай высокую эфектыўнасць дадатковай магутнасці, калі ўваходны сігнал мае вельмі высокае суадносіны піка і сярэдняга значэння (PAR). На самай справе, пры правільнай канструкцыі эфектыўнасць узмацняльнікаў Доэрці можа быць павялічана на 11% - 14% у параўнанні са стандартнымі ўзмацняльнікамі AB паралельнага класа.
Зразумела, на працягу многіх гадоў пасля 1936 г. толькі некалькі тыпаў сігналаў валодаюць гэтымі характарыстыкамі, напрыклад AM і FM, якія выкарыстоўваюць схемы мадуляцыі ў сістэмах сувязі. У цяперашні час амаль кожная бесправадная сістэма генеруе высокія сігналы PAR - ад WCDMA да CDMA2000 да любой сістэмы, якая выкарыстоўвае артаганальнае мультыплексаванне з частатой падзелу (OFDM), напрыклад WiMAX, LTE, а ў апошні час і Wi-Fi.
Малюнак 2: Тыповы ўзмацняльнік Доэрці
Класічны ўзмацняльнік Доэрці (малюнак 2), які можна аднесці да архітэктуры нагрузачнай мадуляцыі, на самай справе складаецца з двух узмацняльнікаў: узмацняльніка-носьбіта, ухіленага для працы ў рэжыме класа АВ, і пікавага ўзмацняльніка, ухіленага ў рэжым класа С. Дзельнік магутнасці дзеліць уваходны сігнал пароўну на кожны ўзмацняльнік з розніцай фаз 90 °. Пасля ўзмацнення сігнал паўторна сінтэзуецца праз сілавую развязку. Два ўзмацняльніка працуюць адначасова, калі ўваходны сігнал знаходзіцца на піку, і кожны паводзіць сябе як імпеданс нагрузкі, каб максымізаваць выходную магутнасць.
Аднак, калі магутнасць уваходнага сігналу падае, пікавы ўзмацняльнік класа С адключаецца, і толькі ўзмацняльнік класа AB па-ранейшаму працуе. Пры больш нізкіх узроўнях магутнасці ўзмацняльнік носьбітаў класа AB паводзіць сябе як модуляваны імпеданс нагрузкі для павышэння эфектыўнасці і ўзмацнення. З абноўленай жыццёвай сілай архітэктуры канструкцыя ўзмацняльніка Доэрці дасягнула значнага прагрэсу ў хуткіх ітэрацыях і дасягнула вялікага поспеху.
Зразумела, ніводная архітэктура не ідэальная. Лінейнасць і выхадная магутнасць узмацняльніка Доэрці некалькі горшыя, чым узмацняльнік двайнога класа AB. Гэта прыносіць нам яшчэ адну важную схему, якая стала неабходным выбарам у сучасных умовах сувязі: тэхналогія аналагавай і лічбавай лінеарызацыі. Найбольш шырока выкарыстоўваецца гэтая тэхналогія - лічбавае папярэджанне (DPD), якое часам спалучаецца са зніжэннем каэфіцыента грэбня (CFR). І DPD, і CFR могуць значна паменшыць скажэнне Доэрці, а дбайная канструкцыя прылады і ўзмацняльніка можа мінімізаваць страты лінейнасці. Аднак яны не вызначаны строга для выкарыстання ў узмацняльніках Доэрці, і іх эфекты цалкам відавочныя пры выкарыстанні ў іншых узмацняльных структурах.
1. Палепшыць лінейнасць
Сучасная лічбавая тэхналогія мадуляцыі патрабуе, каб лінейнасць узмацняльніка была дастаткова высокай, інакш адбудзецца скажэнне інтэрмадуляцыі, і якасць сігналу паменшыцца. На жаль, калі ўзмацняльнікі працуюць з найлепшымі магчымасцямі, усе яны блізкія да ўзроўню насычанасці. Пазней яны становяцца нелінейнымі, выхадная магутнасць ВЧ падае па меры павелічэння ўваходнай магутнасці і пачынаюць з'яўляцца значныя скажэнні. Гэта скажэнне можа прывесці да перакрыжаванняў паміж суседнімі каналамі або службамі. У выніку дызайнеры звычайна аддаюць ВЧ выходную магутнасць у "бяспечную зону", каб забяспечыць лінейнасць. Калі яны робяць гэта, для дасягнення зададзенай выхаднай магутнасці ВЧ неабходна некалькі ВЧ-транзістараў, якія павялічаць спажыванне току і прывядуць да скарачэння тэрміну службы батарэі альбо да больш высокіх эксплуатацыйных выдаткаў на базавых станцыях.
DPD эфектыўна ўводзіць "антыскажэнне" на ўваходзе ўзмацняльніка, ухіляючы нелінейнасць узмацняльніка. У выніку ўзмацняльніку не трэба вяртацца да аптымальнай працоўнай кропкі, і, такім чынам, больш не патрэбныя радыёчастотныя сілавыя прылады. Паколькі ўзмацняльнікі становяцца больш эфектыўнымі, перавагамі з'яўляюцца зніжэнне выдаткаў на астуджэнне і ўсё важнае спажыванне энергіі. Калі CFR працуе, скажэнне бесперапынна правяраецца, памяншаючы суадносіны пікавага і сярэдняга значэнняў уваходнага сігналу. Гэты метад памяншае пікавае значэнне сігналу, так што сігнал не выклікае адсячэння або скажэння пры праходжанні праз узмацняльнік. Калі DPD і CFR выкарыстоўваюцца разам, можна дасягнуць большага выйгрышу.
2. Метад пазафазавага ўзмацняльніка магутнасці
Іншая тэхналогія - гэта запатэнтаваная тэхналогія, якую вынайшаў і захоўвае Анры Шырэй амаль 80 гадоў таму. Звычайна яго называюць "перафарміраванне" (узмацняльнік магутнасці, які ўваходзіць у сямейства тэхналогій мадуляцыі нагрузкі). У цяперашні час ён выкарыстоўваецца Fujitsu, NXP і г. д. Для павышэння эфектыўнасці ўзмацняльніка. Ён аб'ядноўвае два нелінейных узмацняльніка ВЧ, якія кіруюцца сігналамі розных фаз. Паколькі фаза кантралюецца, калі злучаны сігнал звязаны, выкарыстанне ўзмацняльнікаў магутнасці класа В можа дамагчыся павышэння эфектыўнасці. Дбайныя метады праектавання, асабліва выбар адпаведнага рэактыўнага супраціву, могуць аптымізаваць сістэму да пэўнай амплітуды на выхадзе, што прывядзе да павелічэння эфектыўнасці ў два разы (па меншай меры тэарэтычна).
У мінулым годзе кампанія Fujitsu абвясціла, што прыняла метад узмацнення напружання ў пэўным узмацняльніку магутнасці, інтэгруючы кампактную схему сувязі з нізкімі стратамі і схему кампенсацыі фазавай карэкцыі памылак на аснове DSP, што складае 65% агульнага часу перадачы існуючыя ўзмацняльнікі. , Час перадачы ўзмацняльніка можа перавышаць 95%. Для праверкі канструкцыі пікавая магутнасць гэтага ўзмацняльніка магутнасці можа дасягаць 100 Вт; сярэдні электраэфектыўнасць павялічваецца з 50% да 70%.
Уваходны сігнал дзеліцца на два сігналы з пастаяннай зменай амплітуды і фазы. Амплітуда ўсталёўваецца ў адпаведнасці з радыёчастотным сілавым прыборам, і схема сілавой сувязі аднаўляе форму сігналу крыніцы. Раней, калі рэканструяваўся сігнал крыніцы, страта дакладнасці сувязі спатрэбілася для вызначэння розніцы фаз, што перашкодзіла камерцыялізацыі гэтай тэхналогіі. Муфта, якая выкарыстоўваецца Fujitsu, мае больш кароткі шлях сігналу, што памяншае страты і павялічвае прапускную здольнасць.
3. Перспектыўнае развіццё NXP
Варыянт механізму расшырэння фазы без эфекту мадуляцыі нагрузкі называецца лінейным узмацняльнікам нелінейнай канцэпцыі (LINC), які выкарыстоўвае асобную муфту і ўзмацняльнік для ўзмацнення насычэння і можа эфектыўна палепшыць лінейнасць і пікавую эфектыўнасць. Аднак эфектыўнасць узмацняльнікаў LINC адносна нізкая, таму што кожны ўзмацняльнік працуе з пастаяннай магутнасцю, нават пры нізкім узроўню выхадных ВЧ. Шырэкс выправіў гэта, спалучыўшы ампліфікацыю з нераздзеленай сцяжкай і мадуляцыяй нагрузкі, каб павялічыць сярэднюю эфектыўнасць. NXP Semiconductors зрабіла далейшае ўдасканаленне, выкарыстоўваючы двухфазную перадачу для кіравання двума ўзмацняльнікамі ўзмацняльніка частоты ў рэжыме пераключэння, каб адаптаваць іх да сігналаў высокага каэфіцыента грэбня. Кампанія спалучае тэхналогію Chireixoutphasing з узмацняльнікамі ўзмацняльніка класа E GaN HEMT (малюнак 3).
Малюнак 3: Спрошчаная блок-схема ўзмацняльніка ўзмацняльніка магутнасці Chireix
Новая тэхналогія драйвера, распрацаваная і запатэнтаваная NXP, дазваляе ўзмацняльніку дасягнуць высокай эфектыўнасці ў прапускной здольнасці прыблізна ў 25%, кіруючы фазавай залежнасцю. Гэта прывяло да новай архітэктуры, якая спалучае ўзмацняльнікі класа Е і мадуляцыю нагрузкі для падтрымання высокай эфектыўнасці ўзмацняльнікаў пры выхадзе з насычэння, што дазваляе ім адаптавацца да розных складаных формаў сігналаў. NXP прадаставіў эталонны дызайн узмацняльніка магутнасці класа E на базе прылад GaN і далучыў тэхнічную інфармацыю, звязаную з Chireix.
4. Адсочванне канвертаў
Яшчэ адна ключавая тэхналогія, на якую звяртаюць увагу дызайнеры ўзмацняльнікаў, - гэта адсочванне канверта. У гэтай тэхналогіі напружанне, якое падаецца на ўзмацняльнік магутнасці, бесперапынна рэгулюецца, каб гарантаваць, што ён працуе ў пікавай вобласці, каб максымізаваць магутнасць. У параўнанні з фіксаваным напружаннем, якое забяспечваецца пераўтваральнікам пастаяннага і пастаяннага току ў тыповай канструкцыі ўзмацняльніка магутнасці, блок харчавання для адсочвання канверта мадулюе крыніца харчавання, падлучаны да ўзмацняльніка, з высокай прапускной здольнасцю і нізкім узроўнем шуму, які сінхранізуецца з імгненнай абалонкай сігнал.
Прымяненне тэхналогіі адсочвання канвертаў у сілавых прыборах CMOS RF мае значную прывабнасць. Nujira распрацоўвае гэтую тэхналогію на працягу многіх гадоў. Яны паказалі, што гэтая тэхналогія дазваляе пераадолець недахопы, выкліканыя нелінейнасцю ў прымяненні КМОП-узмацняльнікаў РЧ. Узмацняльнікі магутнасці CMOS крытыкуюцца як дрэнны выбар для сучаснай тэхналогіі мадуляцыі з высокім PAR з-за дрэннай лінейнасці, якая патрабуе ад іх адступлення, каб паменшыць скажэнне. Калі ўзмацняльнікі CMOS працуюць з больш высокім узроўнем ВЧ-магутнасці, адбудзецца адсячэнне і скажэнне.
Аднак Nujira спалучае запатэнтаваную тэхналогію лінеарызацыі ISOGAIN з уласнай тэхналогіяй адсочвання канвертаў, каб ліквідаваць праблемы лінейнасці без выкарыстання DPD. Абсталяванне, якое выкарыстоўвае гэтую тэхналогію, дасягнула мэты высокай эфектыўнасці і дабілася такіх жа характарыстык, як GaAs, у іншых аспектах. Велізарная карысць усіх даследаванняў узмацняльнікаў CMOS заключаецца ў тым, што прылады CMOS паўсюдна сустракаюцца ва ўсёй электроннай прамысловасці, падтрымліваецца многімі ліцейнымі вытворчасцямі, таму яны адносна танныя. Паколькі ён заснаваны на крэмніі, магчыма таксама непасрэдна інтэграваць ланцугі кіравання і зрушэння на мікрасхеме ўзмацняльніка магутнасці.
5. Іншыя зусім іншыя метады
Іншую тэхналогію ўзмацняльніка прапагандавала кампанія Eta Devices, аддзяленая ад Масачусэтскага тэхналагічнага інстытута, і была заснавана двума прафесарамі электратэхнікі Джоэлам Доўсанам і Дэвідам Перо і былым даследчыкам узмацняльнікаў з Ericsson і Huawei. Яе тэхналогія асіметрычнага шматузроўневага павышанага ўзроўню (AMO) была распрацавана MIT, якую сумесна інвеставалі сузаснавальнік ADI Рэй Стата і яго фірма венчурнага капіталу Stata Venture Partners.
Асноўнай мэтай кампаніі з'яўляюцца рынкі, якія развіваюцца, у тым ліку каля 640,000 15 базавых станцый дызель-генератара, якія каштуюць 5 мільярдаў долараў у год з пункту гледжання паліва, а затым рынак смартфонаў. У лютым гэтага года Eta Devices прадэманстравала сваё абсталяванне Eta80 на секцыі Advanced LTE Сусветнага кангрэса мабільнай сувязі ў Барселоне, Іспанія. Канал перадачы абсталявання перавышае XNUMX МГц.
Eta Devices смела заявіла, што яе тэхналогія ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking), як чакаецца, знізіць выдаткі на энергію базавай станцыі на 50%. Ён таксама сцвярджае, што можа павялічыць у два разы час аўтаномнай працы смартфонаў. Перадумова заключаецца ў тым, што ВЧ-транзістар магутнасці ўзмацняльніка спажывае энергаспажыванне адначасова ў рэжыме чакання і рэжыме перадачы, і адзіным спосабам павышэння эфектыўнасці з'яўляецца зніжэнне магутнасці ў рэжыме чакання да мінімальна магчымага ўзроўню.
Пераключэнне паміж рэжымам чакання з нізкім энергаспажываннем і высокай выходнай магутнасцю прывядзе да скажэнняў. Існуючыя сістэмы павінны падтрымліваць высокі ўзровень магутнасці ў рэжыме чакання, каб пастаянна выяўляць гэта стан за кошт высокага энергаспажывання. Падыход Eta Devices складаецца ў тым, каб выбраць напружанне, якое спажывае найменшае спажыванне электраэнергіі на транзістары, адбіраючы пробы да 20 мільёнаў разоў у секунду.
Іншая праблема заключаецца ў тым, што кампанія патлумачыла, што патрабаванні да прапускной здольнасці LTE Advanced і 100 МГц створаць велізарны попыт на ўзмацняльнікі ВЧ. Адсочванне канвертаў само па сабе не можа прыстасавацца да гэтай сітуацыі, таму што яно не можа падтрымліваць каналы шырэй 40 МГц. Па дадзеных кампаніі, ETAdvanced падтрымлівае каналы да 160 МГц, таму можа адпавядаць LTE-Advanced і 802.11ac Wi-Fi. Базавыя станцыі, якія выкарыстоўваюць яе тэхналогію, могуць быць вельмі малымі, і кампанія сцвярджае, што распрацавала першы перадатчык LTE з сярэдняй эфектыўнасцю больш за 70%.
6. Рэзюмэ
Калі вы цалкам апішаце бягучую працу па паляпшэнні эфектыўнасці выкарыстання радыёчастот, вы можаце напісаць вялікую кнігу. Гэта змест не абмяжоўваецца вобласцю разгляду ў гэтым артыкуле, але таксама ўключае выкарыстанне розных тыпаў узмацняльнікаў і дапаможных тэхналогій. Спалучэнне гэтых тэхналогій можа даць значныя вынікі. Незалежна ад таго, наколькі дасягнуты прагрэс, напэўна, пакуль попыт на больш высокую хуткасць перадачы дадзеных усё яшчэ існуе, пошук больш высокай эфектыўнасці будзе працягвацца.
Наш іншы прадукт:
