¿Cómo mejorar la eficiencia del amplificador de potencia de RF?

Las leyes básicas de la termodinámica revelan que ningún equipo electrónico puede alcanzar el 100% de eficiencia, aunque las fuentes de alimentación conmutadas están relativamente cerca (hasta un 98%). Desafortunadamente, cualquier dispositivo que genere potencia de RF no puede alcanzar el rendimiento ideal o estar cerca de él, porque hay demasiados defectos en el proceso de conversión de potencia de CC en potencia de producto de RF, incluida la pérdida causada por toda la transmisión de la ruta de señal, para la frecuencia de funcionamiento Pérdida de tiempo y la pérdida característica inherente del dispositivo. Como resultado, un artículo de MIT Technology Review comentaba sin ceremonias sobre el amplificador de potencia de RF: "Es un hardware muy ineficiente".

No es sorprendente que todos los aspectos de los fabricantes de productos de potencia de RF, desde semiconductores hasta amplificadores y transmisores, así como las universidades y el Departamento de Defensa, inviertan mucho tiempo y recursos financieros cada año para mejorar la eficiencia de los dispositivos de potencia de RF. Hay buenas razones para esto: incluso un ligero aumento en la eficiencia puede extender el tiempo de trabajo de los productos que funcionan con baterías y reducir el consumo de energía anual de las estaciones base inalámbricas. La Figura 1 muestra la proporción de la parte de RF al consumo total de energía de la estación base.

Figura 1: Al agregar las partes relevantes de varios productos de radiofrecuencia en el consumo de energía de la estación base, el resultado final será bastante grande.

Afortunadamente, después de años de esfuerzos continuos para mejorar la eficiencia de RF, estas condiciones están cambiando gradualmente. Algunas de estas tareas se realizan a nivel de dispositivo, mientras que otras utilizan algunas tecnologías innovadoras, como seguimiento de envolvente, esquemas de reducción de factor de cresta / predistorsión digital y el uso de amplificadores que son más avanzados que los niveles de clase AB comunes.

Un cambio importante en el diseño de amplificadores es la arquitectura Doherty, que se ha convertido en el estándar para amplificadores de estación base en 5 años. Desde que el Dr. Doherty de Bell Laboratories (que luego se convirtió en parte de Westinghouse Electric) inventó esta arquitectura en 1936, ha estado en silencio la mayor parte del tiempo y solo se ha utilizado en algunas aplicaciones.

La investigación de Doherty ha creado una nueva estructura de amplificador que puede proporcionar una eficiencia agregada de potencia extremadamente alta cuando la señal de entrada tiene una relación de pico a promedio (PAR) muy alta. De hecho, si se diseñan correctamente, la eficiencia de los amplificadores Doherty se puede aumentar entre un 11% y un 14% en comparación con los amplificadores estándar de clase AB en paralelo.

Por supuesto, durante muchos años después de 1936, solo unos pocos tipos de señales poseen estas características, como AM y FM, que utilizan esquemas de modulación en los sistemas de comunicación. En la actualidad, casi todos los sistemas inalámbricos generan señales PAR altas, desde WCDMA hasta CDMA2000 y cualquier sistema que utilice multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM), como WiMAX, LTE y, más recientemente, Wi-Fi.

Figura 2: Un amplificador Doherty típico

El amplificador clásico de Doherty (Figura 2), que puede clasificarse como una arquitectura de modulación de carga, en realidad está compuesto por dos amplificadores: un amplificador portador polarizado para operar en modo clase AB y un amplificador pico polarizado en modo clase C. Un divisor de potencia divide la señal de entrada por igual para cada amplificador con una diferencia de fase de 90 °. Después de la amplificación, la señal se vuelve a sintetizar a través del acoplador de potencia. Los dos amplificadores operan al mismo tiempo cuando la señal de entrada está en su pico y cada uno se comporta como una impedancia de carga para maximizar la potencia de salida.

Sin embargo, a medida que cae la potencia de la señal de entrada, el amplificador de pico de Clase C se apaga y solo el amplificador de portadora de Clase AB sigue funcionando. A niveles de potencia más bajos, el amplificador de portadora de Clase AB se comporta como una impedancia de carga modulada para mejorar la eficiencia y la ganancia. Con la renovada vitalidad de la arquitectura, el diseño del amplificador Doherty ha logrado un progreso significativo en iteraciones rápidas y ha logrado un gran éxito.

Por supuesto, ninguna arquitectura es perfecta. La linealidad y la potencia de salida del amplificador Doherty son ligeramente peores que las del amplificador AB de doble clase. Esto nos trae otro circuito importante que se ha convertido en una opción indispensable en el entorno de comunicación actual: la tecnología de linealización analógica y digital. La más utilizada de esta tecnología es la predistorsión digital (DPD), a veces combinada con la reducción del factor de cresta (CFR). Tanto DPD como CFR pueden reducir en gran medida la distorsión de Doherty, y el diseño cuidadoso del dispositivo y del amplificador puede minimizar la pérdida de linealidad. Sin embargo, no están estrictamente definidos para su uso en amplificadores Doherty, y sus efectos son bastante obvios cuando se usan en otras estructuras de amplificadores.

1. Mejorar la linealidad

La tecnología de modulación digital moderna requiere que la linealidad del amplificador sea lo suficientemente alta; de lo contrario, se producirá una distorsión de intermodulación y la calidad de la señal se reducirá. Desafortunadamente, cuando los amplificadores funcionan al máximo, todos están cerca de sus niveles de saturación. Más tarde, se vuelven no lineales, la salida de potencia de RF cae a medida que aumenta la potencia de entrada y comienzan a aparecer distorsiones significativas. Esta distorsión puede causar diafonía entre canales o servicios adyacentes. Como resultado, los diseñadores generalmente reducen la potencia de salida de RF a una "zona segura" para garantizar la linealidad. Cuando hacen esto, se necesitan múltiples transistores de RF para lograr una potencia de salida de RF determinada, lo que aumentará el consumo de corriente y dará como resultado una menor duración de la batería o mayores costos operativos en las estaciones base.

DPD introduce efectivamente "anti-distorsión" en la entrada del amplificador, eliminando la no linealidad del amplificador. Como resultado, el amplificador no necesita retroceder al punto de funcionamiento óptimo y, por lo tanto, no se requieren más dispositivos de potencia de RF. A medida que los amplificadores se vuelven más eficientes, los beneficios son la reducción de los costos de refrigeración y todo el consumo de energía importante. Cuando CFR está funcionando, la distorsión se verifica continuamente reduciendo la relación pico a promedio de la señal de entrada. Este método reduce el valor pico de la señal para que la señal no cause recorte o distorsión al pasar por el amplificador. Cuando se utilizan DPD y CFR juntos, se puede lograr una mayor ganancia.
2. Método de amplificador de potencia fuera de fase

Otra tecnología es una tecnología patentada inventada y mantenida por Henri Chireix hace casi 80 años. Por lo general, se denomina "salida en fase" (amplificador de potencia en fase anterior, un miembro de la familia de tecnologías de modulación de carga). Actualmente lo utilizan Fujitsu, NXP, etc. Para mejorar la eficiencia del amplificador. Combina dos amplificadores de potencia de RF no lineales, que son impulsados por señales de diferentes fases. Debido a que la fase está controlada, cuando la señal de salida está acoplada, el uso de amplificadores de potencia de RF de Clase B puede lograr ganancias de eficiencia. Las técnicas de diseño cuidadosas, especialmente la selección de la reactancia adecuada, pueden optimizar el sistema a una amplitud de salida específica, lo que traerá el doble de aumento de eficiencia (al menos en teoría).

Fujitsu anunció el año pasado que adoptó el método de desfase en un cierto amplificador de potencia, integrando un circuito de acoplamiento de potencia compacto y de baja pérdida, y con un circuito de compensación de corrección de error de fase basado en DSP, que es el 65% del tiempo de transmisión común a amplificadores existentes. , El tiempo de transmisión del amplificador puede superar el 95%. Para probar el diseño, la salida máxima de este amplificador de potencia puede alcanzar los 100 vatios; la eficiencia eléctrica media se incrementa del 50% al 70%.

La señal de entrada se divide en dos señales con amplitud constante y cambios de fase. La amplitud se establece de acuerdo con el dispositivo de potencia de RF, y el circuito de acoplamiento de potencia reconstruye la forma de onda de la señal de fuente. Anteriormente, cuando se reconstruía la señal fuente, la pérdida de precisión del acoplamiento era necesaria para determinar la diferencia de fase, lo que impedía la comercialización de esta tecnología. El acoplador utilizado por Fujitsu tiene una ruta de señal más corta, lo que reduce la pérdida y aumenta el ancho de banda.

3. El prometedor desarrollo de NXP

Una variante del mecanismo de salida en fase sin efecto de modulación de carga se llama Amplificador lineal de concepto no lineal (LINC), que utiliza un acoplador y una etapa de amplificador separados para conducir a la saturación y puede mejorar eficazmente la linealidad y la eficiencia máxima. Sin embargo, la eficiencia de los amplificadores LINC es relativamente baja, porque cada amplificador opera a una potencia constante, incluso a niveles de salida de RF bajos. Chireix corrigió esto combinando la salida de fase con un acoplador no separado y modulación de carga para aumentar la eficiencia promedio. NXP Semiconductors ha realizado una mejora adicional, utilizando la salida de fase para controlar dos amplificadores de RF en modo de conmutación para adaptarlos a señales de factor de cresta alto. La compañía está combinando la tecnología Chireixoutphasing con amplificadores de clase E de conmutación GaN HEMT (Figura 3).

Figura 3: Diagrama de bloques simplificado del amplificador de potencia fuera de fase de Chireix

La nueva tecnología de controlador desarrollada y patentada por NXP permite que el amplificador logre una alta eficiencia en un ancho de banda de aproximadamente el 25% al controlar la relación de fase. Esto ha llevado a una nueva arquitectura que combina amplificadores de clase E y modulación de carga para mantener la alta eficiencia de los amplificadores cuando salen de la saturación, lo que les permite adaptarse a diversas formas de onda complejas. NXP proporcionó un diseño de referencia para el amplificador de potencia RF de clase E basado en dispositivos GaN y adjuntó información técnica relacionada con Chireix.

4. Seguimiento de sobres

Otra tecnología clave a la que prestan atención los diseñadores de amplificadores es el seguimiento de envolvente. En esta tecnología, el voltaje aplicado al amplificador de potencia se ajusta continuamente para garantizar que funcione en la región máxima para maximizar la potencia. En comparación con el voltaje fijo proporcionado por el convertidor CC-CC en un diseño típico de amplificador de potencia, la fuente de alimentación de seguimiento de envolvente modula la fuente de alimentación conectada al amplificador con una forma de onda de alto ancho de banda y bajo ruido, que se sincroniza con la envolvente instantánea señal.

El uso de tecnología de seguimiento de envolvente en dispositivos de potencia CMOS RF tiene un atractivo considerable. Nujira lleva muchos años desarrollando esta tecnología. Han demostrado que esta tecnología puede superar las deficiencias causadas por las no linealidades en las aplicaciones de amplificadores de RF CMOS. Los amplificadores de potencia CMOS han sido criticados como una mala elección para la tecnología actual de modulación de alto PAR debido a su mala linealidad inherente, que les obliga a retroceder para reducir la distorsión. Cuando los amplificadores CMOS funcionan a niveles de potencia de RF más altos, se producirán cortes y distorsión.

Sin embargo, Nujira combina su tecnología de linealización ISOGAIN patentada en su tecnología de seguimiento de envolvente patentada para eliminar los problemas de linealidad sin utilizar DPD. El equipo que utiliza esta tecnología ha alcanzado el objetivo de alta eficiencia y ha logrado el mismo rendimiento que GaAs en otros aspectos. Un gran beneficio de toda la investigación sobre amplificadores CMOS es que los dispositivos CMOS son omnipresentes en toda la industria electrónica, respaldados por muchas fundiciones, por lo que son relativamente baratos. Debido a que está basado en silicio, también es posible integrar directamente circuitos de control y polarización en el chip del amplificador de potencia.

5. Otros métodos completamente diferentes

Otra tecnología de amplificador fue defendida por Eta Devices, una empresa escindida del Instituto de Tecnología de Massachusetts, y fue cofundada por dos profesores de ingeniería eléctrica, Joel Dawson y David Perreault, y un ex investigador de amplificadores de Ericsson y Huawei. Su tecnología Asymmetric Multi-Level Outphasing (AMO) fue desarrollada por MIT, que fue invertida conjuntamente por el cofundador de ADI Ray Stata y su firma de capital de riesgo Stata Venture Partners.

El objetivo principal de la empresa son los mercados emergentes, que incluyen hasta 640,000 estaciones base de energía con generadores diésel que cuestan 15 millones de dólares al año en términos de combustible, seguidos por el mercado de teléfonos inteligentes. En febrero de este año, Eta Devices mostró su equipo Eta5 en la sección Advanced LTE del Mobile Communications World Congress en Barcelona, España. El canal de transmisión del equipo supera los 80 MHz.

Eta Devices declaró audazmente que se espera que su tecnología ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking) reduzca los costos de energía de la estación base en un 50%. También afirma que puede duplicar la duración de la batería de los teléfonos inteligentes. La premisa es que el transistor de potencia de RF del amplificador consume energía simultáneamente en el modo de espera y en el modo de transmisión, y la única forma de mejorar la eficiencia es reducir la potencia de espera al nivel más bajo posible.
El cambio entre el modo de espera de bajo consumo de energía y la salida de alta potencia causará distorsión. Los sistemas existentes necesitan mantener un alto nivel de energía de reserva para detectar continuamente esta condición, a costa de un alto consumo de energía. El enfoque de Eta Devices es seleccionar el voltaje que consume el menor consumo de energía a través del transistor muestreando hasta 20 millones de veces por segundo.

Otro problema es que la compañía explicó que los requisitos de ancho de banda LTE Advanced y 100 MHz crearán una gran demanda de amplificadores de potencia de RF. El seguimiento de envolvente por sí solo no puede adaptarse a esta situación, porque no puede admitir canales de más de 40 Mhz. Según la compañía, ETAdvanced admite canales de hasta 160 MHz, por lo que puede cumplir con LTE-Advanced y Wi-Fi 802.11ac. Las estaciones base que utilizan su tecnología pueden ser muy pequeñas y la empresa afirma que ha desarrollado el primer transmisor LTE con una eficiencia media superior al 70%.

6. Resumen

Si describe completamente el trabajo actual realizado para mejorar la eficiencia energética de RF, puede escribir un libro extenso. Estos contenidos no se limitan al alcance discutido en este artículo, sino que también incluyen el uso de diferentes tipos de amplificadores y tecnologías de soporte. La combinación de estas tecnologías puede producir resultados significativos. No importa cuánto se avance, es seguro que mientras exista la demanda de velocidades de datos más altas, continuará la búsqueda de una mayor eficiencia.