Substrat De Boîtier IC - Optimisation des amplificateurs de puissance Doherty établis depuis longtemps

L'amplificateur de puissance Doherty (PA) a été inventé il y a près de 100 ans pour améliorer l'efficacité énergétique d'un grand nombre d'émetteurs radio et il existe de nombreuses façons de fabriquer cet amplificateur de puissance. Cet article commence par un aperçu de la linéarisation et de l'amélioration de l'efficacité et met en évidence les défis associés et certaines des nombreuses solutions contextuelles. Enfin, le processus de conception alternative est illustré par des études de cas et une discussion approfondie de la conception et de la façon d'obtenir le meilleur compromis entre performance et coût.

Les quatre principaux paramètres de performance technique de la technologie d'émission de linéarisation (TX) RF Front End (rffe) sont l'efficacité, la puissance de sortie, la linéarité et la bande passante. Les trois derniers paramètres dépendent généralement des exigences du système, telles que les normes de communication. Le premier paramètre (c'est - à - dire l'efficacité énergétique) est le facteur de différenciation. Si tous les autres paramètres de performance sont identiques, plus l'efficacité frontale est élevée, mieux c'est.

Les dispositifs utilisés dans rffe ont des caractéristiques non linéaires et ne peuvent pas être utilisés directement comme modules idéaux. Grâce à la technique de linéarisation, il est possible d'améliorer la linéarité de TX rffe. Cela augmente généralement le coût initial du TX rffe et peut améliorer l'efficacité, la linéarité et la puissance de sortie. De nombreuses méthodes d'amélioration linéaire ont été publiées, remontant au moins aux brevets Feedback 1 et Feedback 2. On peut considérer que la date d'application de la pré - distorsion non linéaire est similaire à la date d'invention de la technique de compression et d'étalement 3. Ces procédures peuvent être classées en fonction de leur fonctionnement (voir figure 1 et tableau 1) 4. L'un des critères discriminants de la technique de linéarisation est le suivant: le schéma prédit - il ou extrait - t - il des signaux inutiles, et corrige - t - il avant ou après la sortie. La classification aide à comprendre les caractéristiques générales et à déterminer les meilleures méthodes d'application.

Le feedback est un exemple de schéma de correction post - mesure, le feedback est un schéma de correction pré - mesure et la pré - distorsion est un schéma de correction pré - prédictive. Les solutions prédictives reposent sur la génération de signaux indésirables, ce qui peut être très gênant pour la pré - distorsion numérique (dpd) dans les systèmes avec des bandes de fréquences plus larges et des puissances plus faibles. D'autre part, les solutions prédictives ne nécessitent aucune distorsion et peuvent l'éliminer complètement.

Ce qui manque dans ces exemples, c'est toute la catégorie des techniques de linéarisation utilisant la correction post - prédictive. Au cours des 100 dernières années, cette série de technologies a été étudiée et documentée en profondeur. Les émetteurs Output 5, Envelope 6 et Doherty 7, ainsi que les émetteurs hybrides introduits par Choi 8, Andersson 9 et Chung 10 sont des exemples de ces techniques, mais elles sont principalement utilisées pour améliorer l'efficacité plutôt que comme des techniques de linéarisation. Développement du marché. Les formes les plus pures des schémas d'enveloppe et de déphasage utilisent respectivement l'amplification et la sommation de chemin pour construire un signal à partir des composantes non linéaires effectivement générées. L'amplificateur Doherty contient une voie de référence dite "voie principale" ou "Porteuse" et une voie d'efficacité dite "voie crête" ou "seconde voie". Une analyse mathématique plus complète conçue par Doherty dépasse le cadre de cet article et est disponible dans de nombreux documents. Pour plus de détails, le lecteur peut se référer spécifiquement à l'article 11 de Cripps.

La mise en oeuvre de Doherty peut considérer que le point de départ le plus courant et souvent le plus rapide pour la conception d'amplificateurs Doherty est le "zero mode de réalisation" (voir figure 2), qui comprend:

* Entrée RF fixe pour le répartiteur de puissance final.

* Les amplificateurs principaux et auxiliaires sont polarisés différemment (par exemple, avec les classes AB et c).

* les synthétiseurs Doherty sont formés de lignes de transmission d'un quart de longueur d'onde.

* dans la plupart des applications, une telle architecture ne fournira pas un gain de puissance suffisant (du moins pas à partir d'un seul étage final) et des étages de gain supplémentaires sont en cascade devant le répartiteur de puissance. Les inconvénients de cette mise en oeuvre la plus courante comprennent:

* Il n'y a aucun moyen de compenser le gain et la phase dans n'importe quel domaine après que la conception ait été gelée.

* en raison de la phase de polarisation, il existe un compromis entre l'efficacité et la puissance de sortie. Il s'agit en fait d'une polarisation de niveau C (un type de circuit analogique en boucle ouverte) pour accomplir cette tâche.

* L'amélioration de l'efficacité est limitée à un seul niveau. Le cas d'une cascade Multi - étages limitera l'amélioration des performances et surtout la diminution du gain à des fréquences plus élevées. D'un autre point de vue, le moteur Doherty est une solution en boucle ouverte avec plusieurs mécanismes fonctionnels importants issus des points de polarisation des transistors. Une fois que d'autres variables ont été définies (telles que le déphasage, la conception du shunt, etc.), un ou deux points de fonctionnement seulement sont prévus, sur lesquels reposent les différents réglages critiques.

Le défi

Une des façons dont Doherty améliore son efficacité est la modulation de charge. Le moteur d'entraînement derrière cette Modulation est la différence entre les courants de sortie de deux ou plusieurs amplificateurs au synthétiseur. Étant donné que le moteur ne peut être approché que par un fonctionnement Doherty, le défi pour les concepteurs était de faire en sorte que le moteur se rapproche de ce fonctionnement de la meilleure façon possible, mais toujours avec un bon rapport qualité - prix. Les obstacles potentiels à la performance de Doherty comprennent: 1) l'adaptation en amplitude et en phase du signal entrant dans le noeud de fusion, en particulier la surfréquence (voir figure 3a). L'écart par rapport à la valeur idéale réduira l'efficacité et la puissance de sortie. Ce dernier peut être d'autant plus destructeur que ces dispositifs sont volontairement non isolés et que l'amélioration de l'efficacité dépend de l'interaction mise en oeuvre par le synthétiseur. 2) Idéalement, la trajectoire auxiliaire du moteur Doherty présente une ligne de pliage ou des caractéristiques de bâton de Hockey (voir figure 3b). L'échec à atteindre la valeur idéale est souvent la principale raison pour laquelle le point de selle d'efficacité bien connu n'est pas atteint. Comme cette caractéristique tend à passer d'une valeur idéale à une réponse linéaire, le comportement de l'amplificateur Doherty deviendra progressivement similaire à celui d'un amplificateur à équilibrage Orthogonal (malgré l'utilisation d'un synthétiseur non isolé), en particulier ses performances en efficacité. 3) La « polarisation différentielle » couramment utilisée pour les amplificateurs principaux et auxiliaires des classes AB et c oblige les deux amplificateurs à réduire leur puissance de sortie et leur efficacité (voir figure 3c). Comme l'explique Cripps 11, la continuité d'un amplificateur quasi - linéaire de classe a à C (en théorie, ces deux étages fonctionneront par une tension sinusoïdale sur leur source) modifiera les caractéristiques de puissance de sortie et de rendement maximales correspondantes. Dans le même temps, si le biais est utilisé pour produire un moteur différentiel (comme dans les réalisations traditionnelles de Doherty), il existe un compromis entre la puissance de sortie et l'efficacité. Dans le même temps, le biais différentiel augmentera l'effet Doherty, mais réduira les performances réalisables.

Les défis des amplificateurs Doherty: adaptation de l'amplitude et de la phase du synthétiseur (A), réponse en courant de l'amplificateur auxiliaire (b) et compromis d'efficacité énergétique (c).

Changements et améliorations les changements suivants dans la conception de base peuvent être plus appropriés pour certaines applications. Dans les implémentations traditionnelles, il offre aux concepteurs des options de performance et de flexibilité.

* plusieurs niveaux de gain dans les séparateurs et synthétiseurs Doherty

* route n Doherty

* séparateur intentionnellement dispersé

* séparateur programmable

* modulation de polarisation

* modulation de puissance, c'est - à - dire ajout d'une troisième méthode d'augmentation de fréquence aux deux techniques d'augmentation de fréquence utilisées par Doherty

* moulage d'enveloppe

* numérique Doherty

En plus des différentes architectures que les concepteurs peuvent utiliser, des ajustements peuvent être effectués à trois points du cycle de vie du produit. Au cours de la phase de conception, les paramètres de conception peuvent être modifiés et transmis au processus de production en tant que valeurs fixes (par exemple, les paramètres de conception du séparateur d'entrée). Au cours de la production, il est généralement possible de modifier ou d'ajuster les paramètres en fonction des données mesurées, puis de les geler ou de les fixer par programmation. Un example est la tension de polarisation nominale utilisée pour générer un courant de polarisation cible dans le dispositif. Une fois l'équipement déployé sur le site, les paramètres peuvent être mis à jour en continu ou à des moments précis, en boucle ouverte ou fermée. Les solutions en boucle ouverte reposent sur des caractéristiques parfaitement prévisibles, tandis que les solutions en boucle fermée peuvent nécessiter des mesures et des contrôles intégrés. Le circuit de compensation de température en est un exemple. Ces options de cycle de vie du produit offrent une variété de solutions qui ne sont pas « optimales». Les concepteurs savent que la capacité de production et d'approvisionnement après la conception est tout aussi importante que les défis de conception et les compromis rencontrés lors de la phase de conception.

L'inverse de l'implémentation de niveau zéro est le nombre Doherty (voir figure 4). Cette architecture se caractérise par une séparation des entrées effectuée dans le domaine numérique avant la conversion numérique - analogique. La capacité d'appliquer le traitement numérique du signal aux signaux appliqués aux deux voies d'amplification permet d'obtenir des performances inégalées à partir d'un ensemble de matériel RF. Par rapport aux implémentations standard de Doherty, les implémentations numériques peuvent augmenter la puissance de sortie de 60%, l'efficacité de 20% et la bande passante de 50% sans réduire la linéarité prédictive de précorrection12.

Processus de conception assistée par mesure afin d'optimiser la conception Doherty, il est recommandé de créer un environnement de simulation étroitement lié à la conception pour comprendre les tendances et la sensibilité. Avec cette simulation, une grande partie du processus de développement peut être rapidement couverte. L'entrée de la première étape peut comprendre des données ou des modèles de traction de charge du dispositif, une étude théorique du circuit de combinaison et la réponse du réseau d'adaptation, ainsi qu'une carte d'évaluation contenant des données de mesure ou d'autres données empiriques. Sur la base de ce point de départ, le processus de conception peut être complété par une conception assistée par mesure (voir figure 5). Pour Digital Doherty, le point de départ de cette approche est un amplificateur Doherty contenant deux ports d'entrée, un réseau d'adaptation d'entrée et de sortie, un dispositif actif, un réseau de polarisation et un combineur (voir figure 6). En mesurant le prototype Doherty d'un dispositif à double entrée, il est possible de mieux comprendre les limites de performance, les compromis et la répétabilité attendus dans un environnement de production. Ce qui est essentiel pour tester la configuration sont les deux chemins de signal, dont les signaux peuvent changer l'un de l'autre. Outre l'application à ces signaux de décalages d'amplitude et de phase précis, stables et reproductibles, il est également très avantageux de pouvoir appliquer une mise en forme non linéaire à au moins un trajet de signal.