Substrato IC - Ottimizzare l'amplificatore di potenza Doherty di lunga data

Il Doherty Power Amplifier (PA), inventato quasi 100 anni fa, viene utilizzato per migliorare l'efficienza energetica in un gran numero di trasmettitori radio, e ci sono molti modi per realizzare un tale amplificatore di potenza. Questo articolo descrive innanzitutto la linearizzazione e il miglioramento dell'efficienza, e mette in evidenza le sfide correlate e alcune delle molte soluzioni basate sullo sfondo. Infine, un caso di studio viene utilizzato per illustrare un processo di progettazione alternativo, e una discussione approfondita sul design e su come raggiungere il miglior compromesso tra prestazioni e costi.

Tecnologia di linearizzazioneI quattro principali parametri tecnici di prestazione nel front end di trasmissione (Tx) a radiofrequenza (RFFE) sono efficienza, potenza di uscita, linearità e larghezza di banda. Gli ultimi tre parametri dipendono solitamente dai requisiti di sistema, come gli standard di comunicazione. Il primo parametro (cioè efficienza energetica) è il fattore distintivo. Se tutti gli altri parametri di prestazione sono gli stessi, la maggiore efficienza front-end è migliore.

I dispositivi utilizzati in RFFE hanno caratteristiche non lineari e non possono essere utilizzati direttamente come moduli ideali. Attraverso la tecnologia di linearizzazione, la linearità di Tx RFFE può essere migliorata. Questo di solito aumenta il costo originale della RFFE Tx e ciò che si ottiene sono miglioramenti in termini di efficienza, linearità e potenza di uscita. Molti metodi di miglioramento della linearità sono stati pubblicati, almeno tornando ai brevetti Feedforward 1 e Feedforward 2. Si può considerare che la data di applicazione della predistorzione non lineare è simile alla data di invenzione della tecnologia di compressione ed espansione3. Questi programmi possono essere classificati in base al loro funzionamento (vedere Figura 1 e Tabella 1)4. Uno dei criteri distintivi della tecnologia di linearizzazione è: se lo schema prevede o estrae segnali inutili, e se eseguire la correzione prima o dopo l'uscita. La classificazione è utile per comprendere le caratteristiche generali e identificare il miglior metodo di applicazione.

Il feedback è un esempio di schema di correzione post-misurazione, il feedback è uno schema di pre-correzione della misurazione e la predistorzione è uno schema predittivo di pre-correzione. Le soluzioni predittive si basano sulla generazione di segnali indesiderati, che possono essere molto problematici per la predistorzione digitale (DPD) in sistemi con bande di frequenza più ampie e potenza inferiore. D'altra parte, le soluzioni predittive non richiedono distorsioni e possono eliminare completamente la distorsione.

Ciò che manca da questi esempi è l'intera categoria di tecniche di linearizzazione che impiegano la post-correzione predittiva. Negli ultimi 100 anni, le persone hanno condotto ricerche approfondite e record su questa serie tecnologica. Outphasing 5, Envelope 6 e Doherty 7 trasmettitori e trasmettitori ibridi introdotti da Choi 8, Andersson 9 e Chung 10 sono esempi di queste tecnologie, ma queste tecnologie sono utilizzate principalmente per migliorare l'efficienza piuttosto che come tecnologie di linearizzazione. Sviluppo del mercato. La forma più pura degli schemi envelope e out-of-phase utilizza l'amplificazione e la somma del percorso, rispettivamente, per costruire i loro segnali da componenti non lineari che sono generati in modo efficiente. L'amplificatore Doherty contiene un percorso di riferimento chiamato "percorso principale" o "vettore" e un percorso di efficienza chiamato "percorso di picco" o "percorso secondario". Un'analisi matematica più completa del progetto Doherty va oltre lo scopo di questo articolo ed è disponibile in molti documenti. Per informazioni dettagliate, i lettori possono fare riferimento specificamente all'articolo 11 di Cripps.

Implementazione DOHERTYSi può considerare che il punto di partenza più comune e solitamente il più veloce per la progettazione di amplificatori Doherty è la "incarnazione zero" (vedi Figura 2), tra cui:

* Ingresso RF fisso allo splitter di potenza finale.

* L'amplificatore principale e l'amplificatore ausiliario sono polarizzati in modo diverso (ad esempio, utilizzando la classe AB e la classe C).

* Il sintetizzatore Doherty è formato da una linea di trasmissione di quarto d'onda.

* Nella maggior parte delle applicazioni, questa architettura non fornirà un guadagno di potenza sufficiente (almeno non da una singola fase finale), e ulteriori stadi di guadagno sono a cascata davanti al power splitter. Gli svantaggi di questa applicazione più comune includono:

* Dopo che il design è congelato, non c'è modo di compensare il guadagno e la fase in qualsiasi dominio.

* A causa della fase di bias, c'è un compromesso tra efficienza e potenza di uscita. In realtà è un bias di livello C (un circuito analogico a circuito aperto) per eseguire questo compito.

* Il miglioramento dell'efficienza è limitato ad un unico livello. La situazione della cascata multistadio limiterà il miglioramento delle prestazioni, in particolare il guadagno sarà ridotto alle frequenze più alte. Da un'altra prospettiva, il motore Doherty è una soluzione open-loop con diversi importanti meccanismi funzionali derivati dal punto di polarizzazione del transistor. Una volta definite altre variabili (come sfasamento di fase, progettazione dello splitter, ecc.), vengono forniti solo uno o due punti operativi da cui dipendono varie regolazioni chiave.

sfida

Uno dei modi in cui Doherty migliora l'efficienza è la modulazione del carico. Il motore di guida dietro questa modulazione è la differenza tra la corrente di uscita da due o più amplificatori nel sintetizzatore. Dal momento che il motore può solo approssimare il funzionamento Doherty, la sfida per i progettisti è quella di far sì che il motore affronti questa operazione nel miglior modo possibile, pur mantenendo un adeguato rapporto prezzo/prestazioni. I potenziali ostacoli alle prestazioni di Doherty includono: 1) L'ampiezza e la corrispondenza di fase del segnale che entra nel nodo di fusione, in particolare la sovrafrequenza (vedere Figura 3a). La deviazione dal valore ideale ridurrà l'efficienza e la potenza di uscita. Quest'ultimo può essere più distruttivo, perché i dispositivi non sono intenzionalmente isolati, e l'aumento di efficienza dipende dall'interazione raggiunta attraverso il sintetizzatore. 2) Idealmente, il percorso ausiliario del motore Doherty presenta una caratteristica polilinea o bastone da hockey (vedi Figura 3b). Il mancato raggiungimento del valore ideale è spesso il motivo principale per non raggiungere il noto punto di efficienza della sella. Poiché questa caratteristica tende a passare da un valore ideale a una risposta lineare, il comportamento dell'amplificatore Doherty diventerà gradualmente simile a quello di un amplificatore bilanciato in quadratura (anche se con un sintetizzatore unisolato), soprattutto le sue prestazioni di efficienza. 3) Il "bias differenziale" comunemente usato dell'amplificatore principale e dell'amplificatore ausiliario in Classe AB e Classe C forzerà la potenza di uscita e l'efficienza dei due amplificatori a diminuire (vedere Figura 3c). Come spiegato da Cripps 11, la continuità degli amplificatori quasi lineari da classe A a classe C (teoricamente questi due stadi funzioneranno attraverso la tensione sinusoidale attraverso le loro sorgenti) cambierà le corrispondenti caratteristiche di potenza massima di uscita e efficienza. Allo stesso tempo, se si utilizza il bias per generare un motore differenziale (come nella tradizionale implementazione Doherty), c'è un compromesso tra potenza di uscita ed efficienza. Allo stesso tempo, il bias differenziale aumenterà l'effetto Doherty, ma ridurrà le prestazioni ottenibili.

Sfide dell'amplificatore Doherty: ampiezza del sintetizzatore e corrispondenza di fase (a), risposta di corrente ausiliaria dell'amplificatore (b) e scambio di efficienza energetica (c).

Variazioni e perfezioniLe seguenti variazioni del disegno di base possono essere più adatte per determinate applicazioni. Nell'implementazione tradizionale, fornisce ai progettisti opzioni di performance e flessibilità.

* Ci sono più stadi di guadagno nello splitter Doherty e nel sintetizzatore

* N Road Doherty

* Separatore disperso intenzionalmente

* Separatore programmabile

* modulazione Bias

* Modulazione di potenza, cioè aggiungendo una terza tecnica di potenziamento di frequenza alle due tecniche di potenziamento di frequenza utilizzate da Doherty

* Forma busta

* Digital Doherty

Oltre alle diverse architetture disponibili per i progettisti, le regolazioni possono essere effettuate anche in tre punti del ciclo di vita del prodotto. Nella fase di progettazione, i parametri di progettazione possono essere modificati e passati al processo produttivo come valori fissi (ad esempio, parametri di progettazione del separatore di ingresso). Nel processo di produzione, di solito, è possibile modificare o regolare i parametri in base ai dati misurati, quindi congelare o fissare i parametri attraverso la programmazione. Un esempio è la tensione nominale di bias utilizzata per generare la corrente di bias target nel dispositivo. Dopo che l'apparecchiatura è stata implementata sul campo, i parametri possono essere aggiornati continuamente o in un momento specifico in modo a circuito aperto o a circuito chiuso. Le soluzioni a circuito aperto si basano su caratteristiche completamente prevedibili, mentre le soluzioni a circuito chiuso possono richiedere misure e controlli integrati. Un esempio è un circuito di compensazione della temperatura. Queste opzioni del ciclo di vita del prodotto forniscono molteplici soluzioni che non sono "migliori". I progettisti sanno che le capacità di produzione e fornitura che seguono la progettazione sono importanti quanto le sfide progettuali e i compromessi incontrati durante la fase di progettazione.

L'opposto dell'implementazione a livello zero è Doherty digitale (vedi Figura 4). La caratteristica di questa architettura è quella di eseguire la separazione degli input nel dominio digitale prima della conversione digitale-analogica. Con la capacità di applicare l'elaborazione digitale del segnale ai segnali applicati ai due percorsi dell'amplificatore, prestazioni insuperabili possono essere ottenute da un insieme di hardware RF. Rispetto all'implementazione standard Doherty, la potenza di uscita dell'implementazione digitale può essere aumentata del 60%, l'efficienza del 20% e la larghezza di banda del 50%, senza ridurre la linearità predittiva della pre-correzione 12.

Processi di progettazione assistiti alla misurazione Al fine di ottimizzare il design Doherty, si consiglia di costruire un ambiente di simulazione che sia ben correlato al design per comprendere le tendenze e la sensibilità. Con questo tipo di simulazione, gran parte del processo di sviluppo può essere rapidamente coperta. L'input della prima fase può includere i dati di trazione del carico o il modello del dispositivo, lo studio teorico del circuito combinato e la risposta della rete di corrispondenza e la scheda di valutazione contenente dati di misurazione o altri dati empirici. Sulla base di questo punto di partenza, il processo di progettazione può essere integrato con la progettazione assistita dalla misurazione (vedere Figura 5). Per il Doherty digitale, il punto di partenza di questo approccio è un amplificatore Doherty che contiene due porte di ingresso, reti di corrispondenza di ingresso e uscita, dispositivi attivi, reti bias e combiner (vedi Figura 6). Misurando il prototipo Doherty del dispositivo dual-input, è possibile acquisire una comprensione più approfondita dei limiti di prestazioni, dei compromessi e della ripetibilità attesi nell'ambiente di produzione. Fondamentali per la configurazione di prova sono i due percorsi di segnale, i cui segnali possono cambiare l'uno con l'altro. Oltre ad applicare offset di ampiezza e di fase precisi, stabili e ripetibili a questi segnali, è anche molto utile essere in grado di applicare lo shaping non lineare ad almeno uno dei percorsi del segnale.