Wie kann die Effizienz von HF-Leistungsverstärkern verbessert werden?
Die Grundgesetze der Thermodynamik zeigen, dass kein elektronisches Gerät einen Wirkungsgrad von 100% erreichen kann - obwohl Schaltnetzteile relativ nahe beieinander liegen (bis zu 98%). Leider kann jedes Gerät, das HF-Strom erzeugt, derzeit nicht die ideale Leistung erreichen oder sich dieser annähern, da es zu viele Fehler bei der Umwandlung von Gleichstrom in HF-Produktleistung gibt, einschließlich des Verlusts, der durch die gesamte Signalpfadübertragung verursacht wird die Betriebsfrequenz Zeitverlust und der inhärente charakteristische Verlust des Geräts. In einem Artikel im MIT Technology Review wurde der HF-Leistungsverstärker daher kurzerhand kommentiert: "Es handelt sich um eine sehr ineffiziente Hardware."
Es überrascht nicht, dass jeder Aspekt der Hersteller von HF-Stromversorgungsprodukten, von Halbleitern über Verstärker bis hin zu Sendern, sowie Universitäten und das Verteidigungsministerium jedes Jahr viel Zeit und finanzielle Ressourcen aufwenden, um die Effizienz von HF-Stromversorgungsgeräten zu verbessern. Dafür gibt es gute Gründe: Schon eine geringfügige Effizienzsteigerung kann die Arbeitszeit batteriebetriebener Produkte verlängern und den jährlichen Stromverbrauch drahtloser Basisstationen senken. Abbildung 1 zeigt das Verhältnis des HF-Teils zum Gesamtstromverbrauch der Basisstation.
Abbildung 1: Wenn Sie die relevanten Teile verschiedener Hochfrequenzprodukte zum Stromverbrauch der Basisstation hinzufügen, ist das Endergebnis recht groß.
Glücklicherweise ändern sich diese Bedingungen nach Jahren kontinuierlicher Bemühungen zur Verbesserung der HF-Effizienz allmählich. Einige dieser Aufgaben liegen auf Geräteebene, während andere einige innovative Technologien verwenden, wie z. B. Hüllkurvenverfolgung, digitale Vorverzerrungs- / Crest-Faktor-Reduktionsschemata und die Verwendung von Verstärkern, die weiter fortgeschritten sind als die üblichen AB-Klassen.
Eine wesentliche Änderung im Verstärkerdesign ist die Doherty-Architektur, die innerhalb von 5 Jahren zum Standard für Basisstationsverstärker geworden ist. Seit Dr. Doherty von Bell Laboratories (das damals Teil von Westinghouse Electric wurde) diese Architektur 1936 erfand, war sie die meiste Zeit still und wurde nur in wenigen Anwendungen verwendet.
Dohertys Forschungen haben eine neue Verstärkerstruktur geschaffen, die einen extrem hohen Wirkungsgrad bei zusätzlicher Leistung bietet, wenn das Eingangssignal ein sehr hohes Peak-Average-Verhältnis (PAR) aufweist. Bei richtiger Auslegung kann der Wirkungsgrad von Doherty-Verstärkern im Vergleich zu Standard-Parallelverstärkern der Klasse AB um 11% bis 14% gesteigert werden.
Natürlich besitzen viele Jahre nach 1936 nur wenige Arten von Signalen diese Eigenschaften, wie AM und FM, die Modulationsschemata in Kommunikationssystemen verwenden. Gegenwärtig erzeugt fast jedes drahtlose System hohe PAR-Signale, von WCDMA über CDMA2000 bis zu jedem System, das orthogonales Frequenzmultiplexing (OFDM) verwendet, wie WiMAX, LTE und in jüngerer Zeit Wi-Fi.
Abbildung 2: Ein typischer Doherty-Verstärker
Der klassische Doherty-Verstärker (Abbildung 2), der als Lastmodulationsarchitektur klassifiziert werden kann, besteht tatsächlich aus zwei Verstärkern: einem Trägerverstärker, der für den Betrieb im Klasse-AB-Modus vorgespannt ist, und einem Spitzenverstärker, der auf den Klasse-C-Modus vorgespannt ist. Ein Leistungsteiler teilt das Eingangssignal gleichmäßig auf jeden Verstärker mit einer Phasendifferenz von 90 ° auf. Nach der Verstärkung wird das Signal durch den Leistungskoppler neu synthetisiert. Die beiden Verstärker arbeiten gleichzeitig, wenn das Eingangssignal seinen Höhepunkt erreicht hat, und jeder verhält sich wie eine Lastimpedanz, um die Ausgangsleistung zu maximieren.
Wenn jedoch die Leistung des Eingangssignals abnimmt, wird der Spitzenverstärker der Klasse C ausgeschaltet, und nur der Trägerverstärker der Klasse AB funktioniert noch. Bei niedrigeren Leistungspegeln verhält sich der Trägerverstärker der Klasse AB wie eine modulierte Lastimpedanz, um den Wirkungsgrad und die Verstärkung zu verbessern. Mit der neuen Vitalität der Architektur hat das Design des Doherty-Verstärkers erhebliche Fortschritte bei schnellen Iterationen erzielt und große Erfolge erzielt.
Natürlich ist keine Architektur perfekt. Die Linearität und Ausgangsleistung des Doherty-Verstärkers sind etwas schlechter als die des Dual-Class-AB-Verstärkers. Dies bringt uns eine weitere wichtige Schaltung, die in der heutigen Kommunikationsumgebung zu einer unverzichtbaren Wahl geworden ist: die analoge und digitale Linearisierungstechnologie. Die am weitesten verbreitete dieser Technologie ist die digitale Vorverzerrung (DPD), manchmal kombiniert mit der Reduzierung des Crest-Faktors (CFR). Sowohl DPD als auch CFR können die Verzerrung von Doherty erheblich reduzieren, und ein sorgfältiges Design von Geräten und Verstärkern kann den Linearitätsverlust minimieren. Sie sind jedoch für die Verwendung in Doherty-Verstärkern nicht streng definiert, und ihre Auswirkungen sind bei Verwendung in anderen Verstärkerstrukturen ziemlich offensichtlich.
1. Verbessern Sie die Linearität
Die moderne digitale Modulationstechnologie erfordert, dass die Linearität des Verstärkers ausreichend hoch ist, da sonst Intermodulationsverzerrungen auftreten und die Signalqualität verringert wird. Wenn die Verstärker ihre beste Leistung erbringen, sind sie leider alle nahe an ihrem Sättigungsgrad. Später werden sie nichtlinear, die HF-Ausgangsleistung nimmt mit zunehmender Eingangsleistung ab und es treten erhebliche Verzerrungen auf. Diese Verzerrung kann ein Übersprechen zwischen benachbarten Kanälen oder Diensten verursachen. Infolgedessen ziehen Entwickler normalerweise die HF-Ausgangsleistung in eine "sichere Zone" zurück, um die Linearität sicherzustellen. In diesem Fall sind mehrere HF-Transistoren erforderlich, um eine bestimmte HF-Ausgangsleistung zu erzielen. Dies erhöht den Stromverbrauch und führt zu einer kürzeren Batterielebensdauer oder höheren Betriebskosten in Basisstationen.
DPD führt effektiv eine "Anti-Verzerrung" am Eingang des Verstärkers ein, wodurch die Nichtlinearität des Verstärkers beseitigt wird. Infolgedessen muss der Verstärker nicht auf den optimalen Betriebspunkt zurückfallen, und daher sind keine HF-Leistungsgeräte mehr erforderlich. Je effizienter Verstärker werden, desto geringer sind die Kühlkosten und der gesamte wichtige Stromverbrauch. Wenn CFR arbeitet, wird die Verzerrung kontinuierlich überprüft, indem das Verhältnis von Spitze zu Durchschnitt des Eingangssignals verringert wird. Diese Methode reduziert den Spitzenwert des Signals, so dass das Signal beim Durchgang durch den Verstärker keine Übersteuerung oder Verzerrung verursacht. Wenn DPD und CFR zusammen verwendet werden, kann eine größere Verstärkung erzielt werden.
2. Methode der phasenverschobenen Leistungsverstärker
Eine andere Technologie ist eine patentierte Technologie, die vor fast 80 Jahren von Henri Chireix erfunden und gehalten wurde. Es wird üblicherweise als "Outphasing" (Outphasing-Leistungsverstärker, ein Mitglied der Familie der Lastmodulationstechnologie) bezeichnet. Es wird derzeit von Fujitsu, NXP usw. verwendet, um die Verstärkereffizienz zu verbessern. Es kombiniert zwei nichtlineare HF-Leistungsverstärker, die von Signalen unterschiedlicher Phasen angesteuert werden. Da die Phase gesteuert wird, können beim Koppeln des Ausgangssignals HF-Leistungsverstärker der Klasse B Effizienzgewinne erzielen. Sorgfältige Entwurfstechniken, insbesondere die Auswahl der geeigneten Reaktanz, können das System auf eine bestimmte Ausgangsamplitude optimieren, was (zumindest theoretisch) zu einer doppelten Effizienzsteigerung führt.
Fujitsu gab im vergangenen Jahr bekannt, dass es die Outphasing-Methode in einem bestimmten Leistungsverstärker übernommen hat, der eine kompakte, verlustarme Leistungskopplungsschaltung und eine DSP-basierte Phasenfehlerkorrektur-Kompensationsschaltung integriert, die 65% der üblichen Übertragungszeit beträgt vorhandene Verstärker. Die Übertragungszeit des Verstärkers kann 95% überschreiten. Um das Design zu testen, kann die Spitzenleistung dieses Leistungsverstärkers 100 Watt erreichen. Der durchschnittliche elektrische Wirkungsgrad wird von 50% auf 70% erhöht.
Das Eingangssignal wird in zwei Signale mit konstanten Amplituden- und Phasenänderungen unterteilt. Die Amplitude wird gemäß dem HF-Leistungsgerät eingestellt, und die Leistungskopplungsschaltung rekonstruiert die Quellensignalwellenform. Zuvor, als das Quellensignal rekonstruiert wurde, war der Verlust der Kopplungsgenauigkeit erforderlich, um die Phasendifferenz zu bestimmen, was die Kommerzialisierung dieser Technologie verhinderte. Der von Fujitsu verwendete Koppler hat einen kürzeren Signalweg, der den Verlust verringert und die Bandbreite erhöht.
3. Die vielversprechende Entwicklung von NXP
Eine Variante des Outphasing-Mechanismus ohne Lastmodulationseffekt heißt LINC (Linear Amplifier of Nonlinear Concept), bei dem eine separate Koppler- und Verstärkerstufe verwendet wird, um zur Sättigung zu fahren, und die Linearität und Spitzeneffizienz effektiv verbessert werden kann. Der Wirkungsgrad von LINC-Verstärkern ist jedoch relativ gering, da jeder Verstärker selbst bei niedrigen HF-Ausgangspegeln mit einer konstanten Leistung arbeitet. Chireix korrigierte dies, indem es Outphasing mit einem nicht getrennten Koppler und Lastmodulation kombinierte, um den durchschnittlichen Wirkungsgrad zu erhöhen. NXP Semiconductors hat eine weitere Verbesserung vorgenommen, indem zwei HF-Verstärker im Schaltmodus durch Outphasing gesteuert werden, um sie an Signale mit hohem Crest-Faktor anzupassen. Das Unternehmen kombiniert die Chireixoutphasing-Technologie mit GaN HEMT-Schaltverstärkern der Klasse E (Abbildung 3).
Abbildung 3: Vereinfachtes Blockdiagramm des phasenverschobenen Chireix-Leistungsverstärkers
Die von NXP entwickelte und patentierte neue Treibertechnologie ermöglicht es dem Verstärker, durch Steuerung der Phasenbeziehung einen hohen Wirkungsgrad über eine Bandbreite von ca. 25% zu erzielen. Dies hat zu einer neuen Architektur geführt, die Verstärker der Klasse E und Lastmodulation kombiniert, um den hohen Wirkungsgrad der Verstärker beim Verlassen der Sättigung aufrechtzuerhalten, wodurch sie sich an verschiedene komplexe Wellenformen anpassen können. NXP lieferte ein Referenzdesign für den HF-Leistungsverstärker der E-Klasse auf Basis von GaN-Geräten und beigefügte technische Informationen zu Chireix.
4. Umschlagverfolgung
Eine weitere Schlüsseltechnologie, auf die Verstärkerentwickler achten, ist die Hüllkurvenverfolgung. Bei dieser Technologie wird die an den Leistungsverstärker angelegte Spannung kontinuierlich angepasst, um sicherzustellen, dass er im Spitzenbereich arbeitet, um die Leistung zu maximieren. Verglichen mit der vom DC / DC-Wandler in einem typischen Leistungsverstärkerdesign bereitgestellten festen Spannung moduliert das Hüllkurven-Tracking-Netzteil das an den Verstärker angeschlossene Netzteil mit einer rauscharmen Wellenform mit hoher Bandbreite, die mit der momentanen Hüllkurve synchronisiert ist Signal.
Die Verwendung der Hüllkurvenverfolgungstechnologie in CMOS-HF-Leistungsgeräten ist von erheblicher Anziehungskraft. Nujira entwickelt diese Technologie seit vielen Jahren. Sie haben gezeigt, dass diese Technologie die durch Nichtlinearitäten in CMOS-HF-Verstärkeranwendungen verursachten Mängel überwinden kann. CMOS-Leistungsverstärker wurden wegen ihrer inhärenten schlechten Linearität als schlechte Wahl für die derzeitige High-PAR-Modulationstechnologie kritisiert, weshalb sie zurückfallen müssen, um Verzerrungen zu reduzieren. Wenn CMOS-Verstärker mit höheren HF-Leistungspegeln betrieben werden, treten Übersteuerungen und Verzerrungen auf.
Nujira kombiniert jedoch seine patentierte ISOGAIN-Linearisierungstechnologie mit seiner proprietären Hüllkurvenverfolgungstechnologie, um Linearitätsprobleme ohne Verwendung von DPD zu beseitigen. Die Geräte, die diese Technologie verwenden, haben das Ziel einer hohen Effizienz erreicht und in anderen Aspekten die gleiche Leistung wie GaAs erzielt. Ein großer Vorteil aller Forschungen zu CMOS-Verstärkern besteht darin, dass CMOS-Geräte in der gesamten Elektronikindustrie allgegenwärtig sind und von vielen Gießereien unterstützt werden, sodass sie relativ billig sind. Da es auf Silizium basiert, ist es auch möglich, Steuer- und Vorspannungsschaltungen direkt auf dem Leistungsverstärkerchip zu integrieren.
5. Andere völlig andere Methoden
Eine weitere Verstärkertechnologie wurde von Eta Devices, einem vom Massachusetts Institute of Technology ausgegliederten Unternehmen, befürwortet und von zwei Elektrotechnikprofessoren, Joel Dawson und David Perreault, sowie einem ehemaligen Verstärkerforscher von Ericsson und Huawei mitbegründet. Die AMO-Technologie (Asymmetric Multi-Level Outphasing) wurde vom MIT entwickelt und von ADI-Mitbegründer Ray Stata und seiner Risikokapitalfirma Stata Venture Partners gemeinsam investiert.
Das Hauptziel des Unternehmens sind Schwellenländer, darunter bis zu 640,000 Dieselgenerator-Kraftwerke, die 15 Milliarden US-Dollar pro Jahr an Kraftstoff kosten, gefolgt vom Smartphone-Markt. Im Februar dieses Jahres stellte Eta Devices seine Eta5-Ausrüstung auf der Advanced LTE-Sektion des Mobile Communications World Congress in Barcelona, Spanien, vor. Der Übertragungskanal des Geräts überschreitet 80 MHz.
Eta Devices erklärte mutig, dass die ETAdvanced-Technologie (Advanced Envelope Tracking) die Energiekosten der Basisstation voraussichtlich um 50% senken wird. Es wird auch behauptet, dass es die Akkulaufzeit von Smartphones verdoppeln kann. Die Voraussetzung ist, dass der HF-Leistungstransistor des Verstärkers im Standby-Modus und im Sendemodus gleichzeitig Strom verbraucht. Die einzige Möglichkeit zur Verbesserung der Effizienz besteht darin, die Standby-Leistung auf das niedrigstmögliche Niveau zu reduzieren.
Das Umschalten zwischen dem Standby-Modus mit geringem Stromverbrauch und hoher Ausgangsleistung führt zu Verzerrungen. Bestehende Systeme müssen einen hohen Standby-Leistungspegel aufrechterhalten, um diesen Zustand auf Kosten eines hohen Stromverbrauchs kontinuierlich zu erkennen. Der Ansatz von Eta Devices besteht darin, die Spannung auszuwählen, die den niedrigsten Stromverbrauch über den Transistor verbraucht, indem bis zu 20 Millionen Mal pro Sekunde abgetastet wird.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass das Unternehmen erklärte, dass die Bandbreitenanforderungen für LTE Advanced und 100 MHz eine enorme Nachfrage nach HF-Leistungsverstärkern hervorrufen werden. Envelope Tracking allein kann sich nicht an diese Situation anpassen, da es keine Kanäle mit mehr als 40 MHz unterstützen kann. Laut Angaben des Unternehmens unterstützt ETAdvanced Kanäle mit bis zu 160 MHz, sodass sowohl LTE-Advanced als auch 802.11ac Wi-Fi unterstützt werden können. Basisstationen, die ihre Technologie verwenden, können sehr klein sein, und das Unternehmen behauptet, dass es den ersten LTE-Sender mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von mehr als 70% entwickelt hat.
6. Zusammenfassung
Wenn Sie die aktuellen Arbeiten zur Verbesserung der HF-Energieeffizienz vollständig beschreiben, können Sie ein großes Buch schreiben. Diese Inhalte beschränken sich nicht nur auf den in diesem Artikel beschriebenen Umfang, sondern umfassen auch die Verwendung verschiedener Verstärkertypen und unterstützender Technologien. Die Kombination dieser Technologien kann zu aussagekräftigen Ergebnissen führen. Unabhängig davon, wie viel Fortschritt erzielt wird, ist sicher, dass die Suche nach höherer Effizienz fortgesetzt wird, solange die Nachfrage nach höheren Datenraten besteht.
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