Làm thế nào để nâng cao hiệu quả của bộ khuếch đại công suất RF?

Các định luật cơ bản của nhiệt động lực học tiết lộ rằng không có thiết bị điện tử nào có thể đạt được hiệu suất 100% - mặc dù việc chuyển đổi nguồn điện là tương đối gần nhau (lên đến 98%). Thật không may, bất kỳ thiết bị nào tạo ra công suất RF hiện không thể đạt được hoặc gần đạt được hiệu suất lý tưởng, do có quá nhiều khiếm khuyết trong quá trình chuyển đổi nguồn DC thành công suất của sản phẩm RF, bao gồm cả tổn thất do toàn bộ đường truyền tín hiệu gây ra, tần số hoạt động Mất thời gian và mất đặc tính vốn có của thiết bị. Do đó, một bài báo trên Tạp chí Công nghệ MIT đã bình luận một cách hài hước về bộ khuếch đại công suất RF, "Nó là một phần cứng rất kém hiệu quả."

Không có gì ngạc nhiên khi mọi khía cạnh của các nhà sản xuất sản phẩm điện RF, từ chất bán dẫn đến bộ khuếch đại đến máy phát, cũng như các trường đại học và Bộ Quốc phòng, hàng năm đều dành nhiều thời gian và nguồn lực tài chính để cải thiện hiệu quả của các thiết bị điện RF. Có những lý do chính đáng cho điều này: ngay cả khi hiệu suất tăng lên một chút cũng có thể kéo dài thời gian làm việc của các sản phẩm chạy bằng pin và giảm mức tiêu thụ điện năng hàng năm của các trạm gốc không dây. Hình 1 cho thấy tỷ lệ của phần RF với công suất tiêu thụ tổng thể của trạm gốc.

Hình 1: Thêm các phần có liên quan của các sản phẩm tần số vô tuyến khác nhau trong công suất tiêu thụ của trạm gốc, kết quả cuối cùng sẽ khá lớn.

May mắn thay, sau nhiều năm nỗ lực không ngừng để cải thiện hiệu quả RF, những điều kiện này đang dần thay đổi. Một số tác vụ này ở cấp độ thiết bị, trong khi những tác vụ khác sử dụng một số công nghệ cải tiến, chẳng hạn như theo dõi đường bao, sơ đồ giảm thiểu hệ số chuẩn kỹ thuật số / tiền định dạng kỹ thuật số và sử dụng bộ khuếch đại tiên tiến hơn cấp độ AB thông thường.

Một sự thay đổi lớn trong thiết kế bộ khuếch đại là kiến trúc Doherty, đã trở thành tiêu chuẩn cho các bộ khuếch đại trạm gốc trong vòng 5 năm. Kể từ khi Tiến sĩ Doherty của Phòng thí nghiệm Bell (sau đó trở thành một phần của Westinghouse Electric) phát minh ra kiến trúc này vào năm 1936, nó đã im lặng trong hầu hết thời gian và chỉ được sử dụng trong một số ứng dụng.

Nghiên cứu của Doherty đã tạo ra một cấu trúc bộ khuếch đại mới có thể cung cấp hiệu suất tăng thêm công suất cực cao khi tín hiệu đầu vào có tỷ lệ đỉnh trên trung bình (PAR) rất cao. Trên thực tế, nếu được thiết kế đúng cách, hiệu suất của bộ khuếch đại Doherty có thể tăng từ 11% đến 14% so với bộ khuếch đại tiêu chuẩn lớp AB song song.

Tất nhiên, trong nhiều năm sau 1936, chỉ có một số loại tín hiệu sở hữu những đặc điểm này, chẳng hạn như AM và FM, sử dụng sơ đồ điều chế trong hệ thống thông tin liên lạc. Hiện tại, hầu hết mọi hệ thống không dây đều tạo ra tín hiệu PAR cao, từ WCDMA đến CDMA2000 đến bất kỳ hệ thống nào sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), chẳng hạn như WiMAX, LTE và gần đây là Wi-Fi.

Hình 2: Một bộ khuếch đại Doherty điển hình

Bộ khuếch đại Doherty cổ điển (Hình 2), có thể được phân loại là kiến trúc điều chế tải, thực sự bao gồm hai bộ khuếch đại: bộ khuếch đại sóng mang được thiên về hoạt động ở chế độ lớp AB và bộ khuếch đại đỉnh thiên về chế độ lớp C. Một bộ chia công suất chia đều tín hiệu đầu vào cho mỗi bộ khuếch đại với độ lệch pha 90 °. Sau khi khuếch đại, tín hiệu được tổng hợp lại thông qua bộ ghép nguồn. Hai bộ khuếch đại hoạt động cùng lúc khi tín hiệu đầu vào ở mức cao nhất và mỗi bộ hoạt động như một trở kháng tải để tối đa hóa công suất đầu ra.

Tuy nhiên, khi công suất tín hiệu đầu vào giảm xuống, bộ khuếch đại đỉnh Class C sẽ bị tắt và chỉ bộ khuếch đại sóng mang Class AB vẫn hoạt động. Ở các mức công suất thấp hơn, bộ khuếch đại sóng mang Class AB hoạt động như một trở kháng tải được điều chế để cải thiện hiệu suất và độ lợi. Với sức sống mới của kiến trúc, thiết kế bộ khuếch đại Doherty đã có những bước tiến đáng kể trong những lần lặp lại nhanh chóng và đạt được thành công lớn.

Tất nhiên, không có kiến trúc nào là hoàn hảo. Độ tuyến tính và công suất đầu ra của bộ khuếch đại Doherty kém hơn một chút so với bộ khuếch đại AB kép. Điều này mang lại cho chúng ta một mạch quan trọng khác đã trở thành sự lựa chọn không thể thiếu trong môi trường truyền thông ngày nay: công nghệ tuyến tính hóa tương tự và kỹ thuật số. Công nghệ này được sử dụng rộng rãi nhất là phân bổ trước kỹ thuật số (DPD), đôi khi được kết hợp với giảm yếu tố mào (CFR). Cả DPD và CFR đều có thể làm giảm đáng kể sự biến dạng của Doherty, đồng thời thiết kế bộ khuếch đại và thiết bị cẩn thận có thể giảm thiểu suy hao tuyến tính. Tuy nhiên, chúng không được xác định chặt chẽ để sử dụng trong bộ khuếch đại Doherty, và ảnh hưởng của chúng khá rõ ràng khi được sử dụng trong các cấu trúc bộ khuếch đại khác.

1. Cải thiện độ tuyến tính

Công nghệ điều chế kỹ thuật số hiện đại đòi hỏi độ tuyến tính của bộ khuếch đại phải đủ cao, nếu không sẽ xảy ra hiện tượng méo xuyên điều chế và giảm chất lượng tín hiệu. Thật không may, khi các bộ khuếch đại hoạt động ở mức tốt nhất, chúng đều gần với mức bão hòa của chúng. Sau đó, chúng trở nên phi tuyến tính, công suất đầu ra RF giảm khi công suất đầu vào tăng lên và bắt đầu xuất hiện những biến dạng đáng kể. Sự biến dạng này có thể gây ra nhiễu xuyên âm giữa các kênh hoặc dịch vụ liền kề. Do đó, các nhà thiết kế thường lùi công suất đầu ra RF về "vùng an toàn" để đảm bảo tính tuyến tính. Khi chúng làm điều này, cần có nhiều bóng bán dẫn RF để đạt được công suất đầu ra RF nhất định, điều này sẽ làm tăng mức tiêu thụ hiện tại và dẫn đến tuổi thọ pin ngắn hơn hoặc chi phí vận hành cao hơn trong các trạm gốc.

DPD giới thiệu hiệu quả "chống méo tiếng" ở đầu vào của bộ khuếch đại, loại bỏ tính phi tuyến của bộ khuếch đại. Do đó, bộ khuếch đại không cần phải quay trở lại điểm hoạt động tối ưu, và do đó không cần thêm các thiết bị công suất RF. Khi bộ khuếch đại trở nên hiệu quả hơn, lợi ích là giảm chi phí làm mát và tiêu thụ tất cả điện năng quan trọng. Khi CFR đang hoạt động, độ méo được kiểm tra liên tục bằng cách giảm tỷ lệ đỉnh trên trung bình của tín hiệu đầu vào. Phương pháp này làm giảm giá trị đỉnh của tín hiệu để tín hiệu không gây ra hiện tượng cắt hoặc méo khi đi qua bộ khuếch đại. Khi DPD và CFR được sử dụng cùng nhau, có thể đạt được độ lợi lớn hơn.
2. Phương pháp khuếch đại công suất ngoài pha

Một công nghệ khác là một công nghệ được cấp bằng sáng chế do Henri Chireix phát minh và nắm giữ cách đây gần 80 năm. Nó thường được gọi là "outphasing" (bộ khuếch đại công suất pha ra, một thành viên của họ công nghệ điều chế tải). Nó hiện đang được sử dụng bởi Fujitsu, NXP, v.v. Để cải thiện hiệu quả bộ khuếch đại. Nó kết hợp hai bộ khuếch đại công suất RF phi tuyến tính, được điều khiển bởi các tín hiệu của các pha khác nhau. Bởi vì pha được điều khiển, khi tín hiệu đầu ra được kết hợp, việc sử dụng bộ khuếch đại công suất RF Class B có thể đạt được hiệu suất. Kỹ thuật thiết kế cẩn thận, đặc biệt là lựa chọn điện kháng thích hợp, có thể tối ưu hóa hệ thống đến một biên độ đầu ra cụ thể, điều này sẽ mang lại hiệu quả tăng gấp đôi (ít nhất là trên lý thuyết).

Năm ngoái, Fujitsu đã thông báo rằng họ đã áp dụng phương pháp outphasing trong một bộ khuếch đại công suất nhất định, tích hợp một mạch ghép công suất nhỏ gọn, tổn hao thấp và với mạch bù sửa lỗi pha dựa trên DSP, tức là 65% thời gian truyền phổ biến. bộ khuếch đại hiện có. , Thời gian truyền của bộ khuếch đại có thể vượt quá 95%. Để kiểm tra thiết kế, công suất đỉnh của bộ khuếch đại công suất này có thể đạt 100 watt; hiệu suất điện trung bình được tăng từ 50% đến 70%.

Tín hiệu đầu vào được chia thành hai tín hiệu có biên độ và pha không đổi. Biên độ được thiết lập tùy theo thiết bị nguồn RF, và mạch ghép nguồn sẽ tái tạo lại dạng sóng tín hiệu nguồn. Trước đây, khi tín hiệu nguồn được tái tạo lại, việc mất độ chính xác của khớp nối cần xác định độ lệch pha, điều này đã cản trở việc thương mại hóa công nghệ này. Bộ ghép nối được Fujitsu sử dụng có đường dẫn tín hiệu ngắn hơn, giúp giảm suy hao và tăng băng thông.

3. Sự phát triển đầy hứa hẹn của NXP

Một biến thể của cơ chế Outphasing mà không có hiệu ứng điều chế tải được gọi là Bộ khuếch đại tuyến tính của khái niệm phi tuyến (LINC), sử dụng một bộ ghép và tầng khuếch đại riêng biệt để dẫn đến bão hòa và có thể cải thiện hiệu quả độ tuyến tính và hiệu suất đỉnh. Tuy nhiên, hiệu quả của bộ khuếch đại LINC tương đối thấp, vì mỗi bộ khuếch đại hoạt động ở công suất không đổi, ngay cả ở mức đầu ra RF thấp. Chireix đã khắc phục điều này bằng cách kết hợp outphasing với bộ ghép không tách rời và điều chế tải để tăng hiệu suất trung bình. NXP Semiconductors đã thực hiện một cải tiến hơn nữa, sử dụng phương pháp ngắt quãng để điều khiển hai bộ khuếch đại RF chế độ chuyển đổi nhằm điều chỉnh chúng với các tín hiệu có hệ số đỉnh cao. Công ty đang kết hợp công nghệ Chireixoutphasing với bộ khuếch đại Class E chuyển mạch GaN HEMT (Hình 3).

Hình 3: Sơ đồ khối bộ khuếch đại công suất ra-pha Chireix đơn giản hóa

Công nghệ trình điều khiển mới do NXP phát triển và cấp bằng sáng chế cho phép bộ khuếch đại đạt được hiệu suất cao trên băng thông xấp xỉ 25% bằng cách kiểm soát mối quan hệ pha. Điều này đã dẫn đến một kiến trúc mới kết hợp các bộ khuếch đại Class E và điều chế tải để duy trì hiệu suất cao của các bộ khuếch đại khi chúng thoát ra khỏi trạng thái bão hòa, cho phép chúng thích ứng với các dạng sóng phức tạp khác nhau. NXP đã cung cấp thiết kế tham chiếu cho bộ khuếch đại công suất E-class RF dựa trên thiết bị GaN và thông tin kỹ thuật liên quan đến Chireix đính kèm.

4. Theo dõi phong bì

Một công nghệ quan trọng khác mà các nhà thiết kế bộ khuếch đại chú ý là theo dõi đường bao. Trong công nghệ này, điện áp đặt vào bộ khuếch đại công suất được điều chỉnh liên tục để đảm bảo rằng nó hoạt động trong vùng đỉnh để tối đa hóa công suất. So với điện áp cố định được cung cấp bởi bộ chuyển đổi DC-DC trong thiết kế bộ khuếch đại công suất điển hình, bộ nguồn theo dõi đường bao điều chỉnh nguồn điện được kết nối với bộ khuếch đại bằng dạng sóng băng thông cao, tiếng ồn thấp, được đồng bộ hóa với đường bao tức thời tín hiệu.

Việc sử dụng công nghệ theo dõi phong bì trong các thiết bị nguồn CMOS RF có sức hấp dẫn đáng kể. Nujira đã phát triển công nghệ này trong nhiều năm. Họ đã chỉ ra rằng công nghệ này có thể khắc phục những thiếu sót do không tuyến tính trong các ứng dụng khuếch đại CMOS RF. Các bộ khuếch đại công suất CMOS đã bị chỉ trích là một lựa chọn tồi cho công nghệ điều chế PAR cao hiện nay vì tính tuyến tính kém vốn có của chúng, đòi hỏi chúng phải lùi lại để giảm độ méo. Khi bộ khuếch đại CMOS được vận hành ở mức công suất RF cao hơn, hiện tượng cắt và biến dạng sẽ xảy ra.

Tuy nhiên, Nujira kết hợp công nghệ tuyến tính hóa ISOGAIN đã được cấp bằng sáng chế trong công nghệ theo dõi phong bì độc quyền của mình để loại bỏ các vấn đề về tuyến tính mà không cần sử dụng DPD. Thiết bị sử dụng công nghệ này đã đạt được mục tiêu hiệu quả cao và đạt được hiệu suất tương tự như GaAs ở các khía cạnh khác. Một lợi ích to lớn của tất cả các nghiên cứu về bộ khuếch đại CMOS là các thiết bị CMOS có mặt khắp nơi trong toàn bộ ngành công nghiệp điện tử, được hỗ trợ bởi nhiều xưởng đúc nên chúng tương đối rẻ. Bởi vì nó dựa trên silicon, nó cũng có thể tích hợp trực tiếp các mạch điều khiển và phân cực trên chip khuếch đại công suất.

5. Các phương pháp hoàn toàn khác

Một công nghệ khuếch đại khác được ủng hộ bởi Eta Devices, một công ty tách ra từ Viện Công nghệ Massachusetts và được đồng sáng lập bởi hai giáo sư kỹ thuật điện Joel Dawson và David Perreault và một cựu nhà nghiên cứu bộ khuếch đại của Ericsson và Huawei. Công nghệ phân chia đa cấp bất đối xứng (AMO) được phát triển bởi MIT, được đầu tư bởi đồng sáng lập ADI Ray Stata và công ty đầu tư mạo hiểm Stata Venture Partners của ông.

Mục tiêu chính của công ty là các thị trường mới nổi, bao gồm khoảng 640,000 trạm phát điện máy phát điện diesel tiêu tốn 15 tỷ đô la Mỹ mỗi năm về nhiên liệu, tiếp theo là thị trường điện thoại thông minh. Vào tháng 5 năm nay, Eta Devices đã trình diễn thiết bị Eta80 của mình tại phần LTE nâng cao của Mobile Communications World Congress ở Barcelona, Tây Ban Nha. Kênh truyền của thiết bị vượt quá XNUMX MHz.

Eta Devices đã mạnh dạn tuyên bố rằng công nghệ ETAdvanced (Theo dõi phong bì nâng cao) của họ được kỳ vọng sẽ giảm 50% chi phí năng lượng của trạm gốc. Nó cũng tuyên bố rằng nó có thể tăng gấp đôi thời lượng pin của điện thoại thông minh. Tiền đề là bóng bán dẫn công suất RF của bộ khuếch đại tiêu thụ điện năng tiêu thụ đồng thời ở chế độ chờ và chế độ phát, và cách duy nhất để nâng cao hiệu quả là giảm công suất chờ xuống mức thấp nhất có thể.
Chuyển đổi giữa chế độ chờ tiêu thụ điện năng thấp và công suất phát cao sẽ gây ra hiện tượng méo tiếng. Các hệ thống hiện tại cần duy trì mức công suất dự phòng cao để liên tục phát hiện tình trạng này, với chi phí tiêu thụ điện năng cao. Phương pháp tiếp cận của Eta Devices là chọn điện áp tiêu thụ điện năng tiêu thụ thấp nhất trên bóng bán dẫn bằng cách lấy mẫu lên đến 20 triệu lần mỗi giây.

Một vấn đề khác là công ty giải thích rằng các yêu cầu về LTE Advanced và băng thông 100 MHz sẽ tạo ra nhu cầu rất lớn về bộ khuếch đại công suất RF. Chỉ theo dõi phong bì không thể thích ứng với tình huống này, vì nó không thể hỗ trợ các kênh rộng hơn 40Mhz. Theo công ty, ETAdvanced hỗ trợ các kênh lên đến 160 MHz, vì vậy nó có thể đáp ứng cả LTE-Advanced và 802.11ac Wi-Fi. Các trạm gốc sử dụng công nghệ của nó có thể rất nhỏ và công ty tuyên bố rằng họ đã phát triển bộ phát LTE đầu tiên với hiệu suất trung bình lớn hơn 70%.

6. Tóm tắt thông tin

Nếu bạn mô tả đầy đủ công việc hiện tại được thực hiện để cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng RF, bạn có thể viết một cuốn sách lớn. Những nội dung này không giới hạn trong phạm vi thảo luận trong bài viết này, mà còn bao gồm việc sử dụng các loại bộ khuếch đại và công nghệ hỗ trợ khác nhau. Sự kết hợp của các công nghệ này có thể tạo ra các kết quả có ý nghĩa. Cho dù có bao nhiêu tiến bộ, chắc chắn rằng miễn là nhu cầu về tốc độ dữ liệu cao hơn vẫn còn tồn tại, việc tìm kiếm hiệu quả cao hơn sẽ tiếp tục.