IC-Substrat - Optimieren Sie den bewährten Doherty Endverstärker

Der Doherty Power Amplifier (PA), erfunden vor fast 100 Jahren, wird verwendet, um die Energieeffizienz in einer Vielzahl von Funksendern zu verbessern, und es gibt viele Möglichkeiten, einen solchen Leistungsverstärker herzustellen. Dieser Artikel skizziert zunächst Linearisierung und Effizienzsteigerung und beleuchtet damit verbundene Herausforderungen und einige der vielen Lösungen, die auf dem Hintergrund basieren. Abschließend wird eine Fallstudie verwendet, um einen alternativen Designprozess zu veranschaulichen und eingehende Diskussionen über das Design und wie der beste Kompromiss zwischen Leistung und Kosten erzielt werden kann.

LinearisierungstechnologieDie vier wichtigsten technischen Leistungsparameter im Sende (Tx) Radio Frequency Front End (RFFE) sind Effizienz, Ausgangsleistung, Linearität und Bandbreite. Die letzten drei Parameter hängen in der Regel von Systemanforderungen, wie Kommunikationsstandards, ab. Der erste Parameter (d.h. Energieeffizienz) ist der Unterscheidungsfaktor. Sind alle anderen Leistungsparameter gleich, ist der höhere Frontend-Wirkungsgrad besser.

Die in RFFE eingesetzten Geräte weisen nichtlineare Eigenschaften auf und können nicht direkt als ideale Module eingesetzt werden. Durch Linearisierungstechnologie kann die Linearität von Tx RFFE verbessert werden. Dies erhöht normalerweise die ursprünglichen Kosten des Tx RFFE, und was Sie erhalten, sind Verbesserungen in Effizienz, Linearität und Ausgangsleistung. Viele Methoden zur Verbesserung der Linearität wurden veröffentlicht, zumindest zurück zu den feedforward 1- und feedforward 2-Patenten. Es kann davon ausgegangen werden, dass das Datum der Anwendung der nichtlinearen Vorverzerrung dem Datum der Erfindung der Kompressions- und Expansionstechnologie3 ähnlich ist. Diese Programme können nach ihrer Funktionsweise klassifiziert werden (siehe Abbildung 1 und Tabelle 1)4. Eines der Unterscheidungskriterien der Linearisierungstechnologie ist: ob das Schema nutzlose Signale vorhersagt oder extrahiert und ob eine Korrektur vor oder nach der Ausgabe durchgeführt werden soll. Die Klassifizierung ist nützlich, um allgemeine Merkmale zu verstehen und die beste Anwendungsmethode zu identifizieren.

Feedforward ist ein Beispiel für ein Korrekturschema nach der Messung, Feedback ist ein Korrekturschema für die Messung und Vorverzerrung ist ein prädiktives Korrekturschema. Predictive Lösungen basieren auf der Erzeugung unerwünschter Signale, was für digitale Vorverzerrung (DPD) in Systemen mit breiteren Frequenzbändern und geringerer Leistung sehr problematisch sein kann. Auf der anderen Seite erfordern prädiktive Lösungen keine Verzerrung und können Verzerrungen vollständig beseitigen.

Was an diesen Beispielen fehlt, ist die gesamte Kategorie der Linearisierungstechniken, die prädiktive Nachkorrektur einsetzen. In den letzten hundert Jahren haben Menschen eingehende Forschung und Aufzeichnungen über diese Technologie-Serie durchgeführt. Outphasing 5, Envelope 6 und Doherty 7 Sender und Hybrid Sender, die von Choi 8, Andersson 9 und Chung 10 eingeführt wurden, sind Beispiele für diese Technologien, aber diese Technologien werden hauptsächlich verwendet, um die Effizienz zu verbessern und nicht als Linearisierungstechnologien. Marktentwicklung. Die reinste Form des Hüllkurven- und Out-of-Phase-Schemas verwendet Verstärkung bzw. Pfadsummierung, um ihre Signale aus nichtlinearen Komponenten zu konstruieren, die effizient erzeugt werden. Der Doherty-Verstärker enthält einen Referenzpfad namens "Hauptpfad" oder "Träger" und einen Effizienzpfad namens "Spitzenpfad" oder "Sekundärpfad". Eine umfassendere mathematische Analyse des Doherty-Designs geht über den Rahmen dieses Artikels hinaus und ist in vielen Dokumenten verfügbar. Für detaillierte Informationen können Leser speziell auf Cripps Artikel 11 verweisen.

DOHERTY-ImplementationEs kann davon ausgegangen werden, dass der häufigste und meist schnellste Ausgangspunkt für Doherty-Verstärkerdesign die "Nullausführung" ist (siehe Abbildung 2), einschließlich:

*Fester HF-Eingang zum Endleistungsteiler.

*Haupt- und Hilfsverstärker sind unterschiedlich verzerrt (z.B. mit Klasse AB und Klasse C).

*Der Doherty-Synthesizer wird durch eine Viertelwellenlänge-Übertragungsleitung gebildet.

*In den meisten Anwendungen bietet diese Architektur nicht genügend Leistungsgewinn (zumindest nicht von einer einzigen Endstufe), und zusätzliche Verstärkungsstufen werden kaskadiert vor dem Leistungssplitter. Die Nachteile dieser am häufigsten verwendeten Implementierung sind:

*Nachdem das Design eingefroren ist, gibt es keine Möglichkeit, Gain und Phase in irgendeiner Domäne zu kompensieren.

*Aufgrund der Vorspannungsstufe besteht ein Kompromiss zwischen Effizienz und Ausgangsleistung. Es ist eigentlich C-Level Bias (eine offene analoge Schaltung), um diese Aufgabe zu erfüllen.

*Die Effizienzsteigerung ist auf eine einzige Ebene beschränkt. Die Situation der mehrstufigen Kaskade wird die Leistungsverbesserung begrenzen, insbesondere der Gewinn wird bei höheren Frequenzen reduziert. Aus einer anderen Perspektive ist die Doherty-Engine eine Open-Loop-Lösung mit mehreren wichtigen Funktionsmechanismen, die vom Bias Point des Transistors abgeleitet werden. Sobald andere Variablen (wie Phasenversatz, Splitter-Design, etc.) definiert sind, werden nur ein oder zwei Betriebspunkte bereitgestellt, von denen eine Vielzahl von Schlüsseleinstellungen abhängen.

Herausforderung

Eine der Möglichkeiten, wie Doherty die Effizienz verbessert, ist die Lastmodulation. Der treibende Motor hinter dieser Modulation ist die Differenz zwischen dem Ausgangsstrom von zwei oder mehr Verstärkern in den Synthesizer. Da der Motor nur annähernd den Doherty-Betrieb annähern kann, besteht die Herausforderung für Konstrukteure darin, dass der Motor diesen Betrieb bestmöglich angeht, aber dennoch ein angemessenes Preis-Leistungsverhältnis aufweist. Mögliche Hindernisse für die Doherty-Leistung sind: 1) Die Amplitude- und Phasenanpassung des Signals, das in den Merge-Knoten eintritt, insbesondere die Überfrequenz (siehe Abbildung 3a). Abweichungen vom Idealwert verringern Effizienz und Ausgangsleistung. Letzteres kann destruktiver sein, da die Geräte absichtlich nicht isoliert sind und die Steigerung der Effizienz von der Interaktion abhängt, die durch den Synthesizer erreicht wird. 2) Idealerweise weist der Hilfsweg des Doherty-Motors eine Polyline- oder Hockeyschlägcharakteristik auf (siehe Abbildung 3b). Das Fehlen des Idealwertes ist oft der Hauptgrund dafür, dass der bekannte Effizienzsattelpunkt nicht erreicht wird. Da diese Eigenschaft tendenziell von einem Idealwert zu einem linearen Ansprechverhalten wechselt, wird sich das Verhalten des Doherty-Verstärkers allmählich dem eines quadratischen symmetrischen Verstärkers (obwohl mit einem unisolierten Synthesizer) ähneln, insbesondere seine Effizienz. 3) Der übliche "differentielle Bias" des Haupt- und Hilfsverstärkers in den Klassen AB und C zwingt die Ausgangsleistung und den Wirkungsgrad der beiden Verstärker zu sinken (siehe Abbildung 3c). Wie Cripps 11 erklärt, wird die Kontinuität von quasi-linearen Verstärkern der Klasse A bis Klasse C (theoretisch werden diese beiden Stufen durch die sinusförmige Spannung über ihre Quellen arbeiten) die entsprechende maximale Ausgangsleistung und Wirkungsgradcharakteristik verändern. Zur gleichen Zeit, wenn Bias verwendet wird, um einen Differentialmotor zu erzeugen (wie in der traditionellen Doherty-Implementierung), gibt es einen Kompromiss zwischen Ausgangsleistung und Effizienz. Gleichzeitig erhöht der differentielle Bias den Doherty-Effekt, reduziert aber die erreichbare Leistung.

Herausforderungen des Doherty-Verstärkers: Synthesizer-Amplitude und Phasenanpassung (a), Hilfsverstärker-Stromantwort (b) und Energieeffizienz-Kompromiss (c).

Variationen und VerbesserungsDie folgenden Variationen des Grunddesigns können für bestimmte Anwendungen besser geeignet sein. In der traditionellen Umsetzung bietet es Designern Leistungs- und Flexibilitätsoptionen.

*Es gibt mehrere Gain-Stufen im Doherty Splitter und Synthesizer

*N Road Doherty

*Absichtlich dispergierter Trenner

*Programmierbarer Trenner

*Bias-Modulation

*Leistungsmodulation, d.h. Hinzufügen einer dritten Frequenzverbesserungstechnik zu den beiden von Doherty verwendeten Frequenzverbesserungstechniken

*Umschlagformung

*Digital Doherty

Neben den verschiedenen Architekturen, die Designern zur Verfügung stehen, können Anpassungen auch an drei Punkten des Produktlebenszyklus vorgenommen werden. In der Entwurfsphase können Konstruktionsparameter modifiziert und als feste Werte an den Produktionsprozess übergeben werden (z.B. Eingangsseparator-Bemessungsparameter). Im Produktionsprozess können Sie in der Regel die Parameter basierend auf den Messdaten ändern oder anpassen und dann die Parameter durch Programmierung einfrieren oder fixieren. Ein Beispiel ist die nominale Vorspannungsspannung, die verwendet wird, um den Soll-Vorspannungsstrom im Gerät zu erzeugen. Nachdem die Ausrüstung im Feld eingesetzt wurde, können die Parameter kontinuierlich oder zu einem bestimmten Zeitpunkt in offener oder geschlossener Weise aktualisiert werden. Open-Loop-Lösungen basieren auf vollständig vorhersehbaren Eigenschaften, während Closed-Loop-Lösungen eine integrierte Messung und Steuerung erfordern. Ein Beispiel ist ein Temperaturkompensationskreis. Diese Produktlebenszyklus-Optionen bieten mehrere Lösungen, die nicht "am besten" sind. Designer wissen, dass die Produktions- und Lieferfähigkeiten, die dem Design folgen, genauso wichtig sind wie die Designherausforderungen und Kompromisse, die während der Designphase auftreten.

Das Gegenteil von Zero-Level-Implementierung ist digitaler Doherty (siehe Abbildung 4). Die Eigenschaft dieser Architektur besteht darin, Eingangstrennung im digitalen Bereich vor der Digital-Analog-Konvertierung durchzuführen. Mit der Fähigkeit, digitale Signalverarbeitung auf die Signale anzuwenden, die auf den beiden Verstärkerpfaden angewendet werden, kann eine unübertroffene Leistung von einer Reihe von HF-Hardware erzielt werden. Im Vergleich zur Standard-Doherty-Implementierung kann die Ausgangsleistung der digitalen Implementierung um 60%, die Effizienz um 20% und die Bandbreite um 50% erhöht werden, ohne die prädiktive Vorkorrekturlinearität zu verringern.12

Um das Doherty-Design zu optimieren, wird empfohlen, eine Simulationsumgebung zu erstellen, die gut mit dem Design verwandt ist, um Trends und Empfindlichkeit zu verstehen. Mit dieser Art von Simulation kann ein großer Teil des Entwicklungsprozesses schnell abgedeckt werden. Die Eingabe des ersten Schrittes kann die Lastziehdaten oder das Modell der Vorrichtung, die theoretische Untersuchung des kombinierten Schaltkreises und der Reaktion des übereinstimmenden Netzes und die Auswerteplatine, die Messdaten oder andere empirische Daten enthält, umfassen. Ausgehend von diesem Ausgangspunkt kann der Entwurfsprozess durch messgestütztes Design ergänzt werden (siehe Abbildung 5). Für digitale Doherty ist der Ausgangspunkt dieses Ansatzes ein Doherty-Verstärker, der zwei Eingangsports, ein- und ausgangsübereinstimmende Netzwerke, aktive Geräte, Bias-Netzwerke und Combiner enthält (siehe Abbildung 6). Durch die Messung des Prototyps Doherty des Dual-Input-Geräts ist es möglich, ein tieferes Verständnis der Leistungseinschränkungen, Kompromisse und Wiederholbarkeit zu gewinnen, die in der Produktionsumgebung erwartet werden. Entscheidend für die Testkonfiguration sind die beiden Signalwege, deren Signale sich untereinander ändern können. Neben der Anwendung präziser, stabiler und wiederholbarer Amplituden- und Phasenoffsets auf diese Signale ist es auch sehr vorteilhaft, nichtlineare Formgebung auf mindestens einen der Signalwege anwenden zu können.